ISO 11031:2016
(Main)Cranes — Principles for seismically resistant design
Cranes — Principles for seismically resistant design
ISO 11031:2016 establishes general methods for calculating seismic loads to be used as defined in the ISO 8686 series and for proof of competence as defined in ISO 20332, for the structure and mechanical components of cranes as defined in ISO 4306. ISO 11031:2016 evaluates dynamic response behaviour of a crane subjected to seismic excitation as a function of the dynamic characteristics of the crane and of its supporting structure. The evaluation takes into account dynamic effects both of regional seismic conditions and of the local conditions on the surface of the ground at the crane location. The operational conditions of the crane and the risks resulting from seismic damage to the crane are also taken into account. It is restricted to the serviceability limit state (SLS), maintaining stresses within the elastic range in accordance with ISO 20332. It does not extend to proofs of competence which include plastic deformations. When these are permitted by agreement between crane supplier and customer, other standards or relevant literature taking them into account can be used.
Appareils de levage à charge suspendue — Principes pour une conception résistante à la sismicité
L'ISO 11031 :2016 établit des méthodes générales de calcul des charges sismiques destinées à être utilisées telles que définies dans la série des ISO 8686 et pour la vérification d'aptitude telle que définie dans l'ISO 20332, pour la structure et les composants mécaniques des appareils de levage que définie dans l'ISO 4306. L'ISO 11031 :2016 évalue le comportement de réponse dynamique d'un appareil de levage à charge suspendue soumis à une excitation sismique, comme fonction des caractéristiques dynamiques de l'appareil de levage à charge suspendue et de sa structure porteuse. L'évaluation prend en considération les effets dynamiques dus aux conditions sismiques régionales ainsi que celles dues aux conditions locales à la surface du sol, à l'emplacement d'un appareil de levage. En outre, l'évaluation tient également compte des conditions opérationnelles de l'appareil de levage à charge suspendue, ainsi que des risques résultant des dommages sismiques. Elle est limitée à l'état limite de service (ELS), maintenant les contraintes dans le domaine élastique conformément à l'ISO 20332. Elle ne couvre pas la vérification d'aptitude qui inclut des déformations plastiques. Lorsqu'elles sont autorisées par un accord entre le fournisseur d'appareil de levage à charge suspendue et le client, d'autres normes ou documents pertinents les prenant en compte peuvent être utilisés.
General Information
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Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 11031
First edition
2016-08-01
Corrected version
2016-09-15
Cranes — Principles for seismically
resistant design
Appareils de levage à charge suspendue — Principes pour une
conception résistante à la sismicité
Reference number
ISO 11031:2016(E)
©
ISO 2016
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ISO 11031:2016(E)
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ISO 11031:2016(E)
Contents Page
Foreword .iv
Introduction .v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Symbols . 1
4 Seismic design methods . 2
5 Seismic design by Modified Seismic Coefficient Method . 3
5.1 General . 3
5.2 Calculation of horizontal seismic design coefficient, K .
H 3
5.2.1 General. 3
5.2.2 Determination of normalized basic acceleration, A .
bg 3
5.2.3 Determination of subsoil amplification factor, β .
2 4
5.2.4 Determination of acceleration response factor, β .
3 5
5.3 Calculation of vertical seismic design coefficient, K .
V 8
5.4 Calculation of seismic design loads . 8
5.4.1 Calculation of seismic accelerations . 8
5.4.2 Calculation of seismic forces. 9
6 Seismic design based on Maximum Response Spectrum Method .9
6.1 General . 9
6.2 Calculation procedure for total seismic response (TSR) .10
7 Combinations of seismic and non-seismic effects .11
7.1 General .11
7.2 Proof of static strength: load combinations in accordance with ISO 8686-1 .11
7.3 Proof of static strength: load combination according to SRSS Method .12
7.4 Proof of global stability .12
7.5 Proof of competence for crane structures .13
Annex A (informative) Flow chart of seismic design .14
Annex B (informative) Design accelerations and seismic zones .15
Annex C (informative) Information about Maximum Response Method .32
Annex D (informative) Time History Response Method and a comparison of different
seismic methods available .35
Annex E (informative) Relation between basic acceleration, Mercalli and Richter scales.38
Annex F (informative) Vertical seismic intensity .39
Bibliography .40
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ISO 11031:2016(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment,
as well as information about ISO’s adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the
Technical Barriers to Trade (TBT) see the following URL: www.iso.org/iso/foreword.html
The committee responsible for this document is ISO/TC 96, Cranes, Subcommittee SC 10, Design
principles and requirements.
This corrected version of ISO 11031:2016 incorporates the following corrections:
— in Formula (9), “a ” has been changed to “a ” to signify vertical, not horizontal, seismic acceleration;
H V
— in 6.2, in the step describing the use of final design spectrum accelerations and participation factors
as inputs for calculating the responses for selected modes, the axis directions have been italicized
as X, Y and Z, and a missing cross-reference to Table C.1 reinserted.
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ISO 11031:2016(E)
Introduction
An economically acceptable protection against the effects of earthquake is usually based on two design
limit states which specify the required crane response to a moderate and a severe earthquake and
which are expressed in terms of serviceability and ultimate limit states.
— Serviceability limit state (SLS) imposes that the crane should withstand moderate earthquake
ground motions which may occur at the site during its service life. The resulting stresses would
remain within the accepted limits.
— Ultimate limit state (ULS) imposes that the crane structure should not collapse nor experience
similar forms of structural failure due to severe earthquake ground motions, the suspended load,
or any part of the crane should not fall and the safety of the public, operators and workers should
be safe guarded. The crane is not expected to remain operational after the earthquake. However, in
the case of a failure in the main load path, it is still possible to lower the load to the ground after the
earthquake.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 11031:2016(E)
Cranes — Principles for seismically resistant design
1 Scope
This International Standard establishes general methods for calculating seismic loads to be used as
defined in the ISO 8686 series and for proof of competence as defined in ISO 20332, for the structure
and mechanical components of cranes as defined in ISO 4306.
This International Standard evaluates dynamic response behaviour of a crane subjected to seismic
excitation as a function of the dynamic characteristics of the crane and of its supporting structure.
The evaluation takes into account dynamic effects both of regional seismic conditions and of the local
conditions on the surface of the ground at the crane location.
The operational conditions of the crane and the risks resulting from seismic damage to the crane are
also taken into account.
This International Standard is restricted to the serviceability limit state (SLS), maintaining stresses
within the elastic range in accordance with ISO 20332.
The present edition does not extend to proofs of competence which include plastic deformations. When
these are permitted by agreement between crane supplier and customer, other standards or relevant
literature taking them into account can be used.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 4306 (all parts), Lifting appliances — Vocabulary
ISO 8686 (all parts), Cranes — Design principles for loads and load combinations
ISO 20332, Cranes — Proof of competence of steel structures
3 Symbols
The main symbols used in this International Standard are given in Table 1.
Table 1 — Main symbols
Symbol Description
K Horizontal seismic design coefficient
H
K Vertical seismic design coefficient
V
A Normalized basic acceleration
bg
A Normalized acceleration at ground surface
sg
f Conversion factor
con
f Recurrence factor
rec
β Subsoil amplification factor
2
β Acceleration response factor
3
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ISO 11031:2016(E)
Table 1 (continued)
Symbol Description
Basic acceleration response factor; β of the crane whose damping ratio is 0,025 and given by
3
*
β
Figure 2
3
γ Risk factor
n
η Damping correction factor
δ Response amplification factor
ζ Damping ratio
c Vertical influence factor
F Horizontal seismic design force
H
F Vertical seismic design force
V
F , F Seismic forces (horizontal and vertical) on suspended load
RH RV
4 Seismic design methods
There are three main methods of seismic response analysis used in seismic design:
— Modified Seismic Coefficient Method;
— Maximum Response Spectrum Method;
— Time History Response Method.
In the Modified Seismic Coefficient Method, the applied quasi-static seismic forces are calculated as a
product of seismic coefficients and crane weights. The evaluation of seismic coefficients takes into
account crane location, its seismic characteristics, basic dynamic characteristics of the crane, i.e.
natural frequency or period and damping characteristics, in three principal orthogonal directions of
the crane (one vertical and two horizontal).
The method is the basis of this International Standard on account of its simplicity (see Clause 5) and its
procedure is executed as part of the design iterative process indicated in the flow chart in Annex A.
The Maximum Response Spectrum Method (see Clause 6) is an alternative method of seismic response
analysis used where:
— more accurate seismic response of the crane is required than that produced by the Modified Seismic
Coefficient Method;
— demand on significant computational resources is economically acceptable.
Its application is limited only to linear systems and to system where nonlinearities if present can be
neglected.
In the Maximum Response Spectrum Method, natural frequencies or periods and associated mode
shapes of the crane are calculated first. Seismic forces and the crane response are then calculated
for the selected vibration modes of the crane structure, using the maximum response accelerations
(selected from the maximum response spectra which again take into account seismic characteristics at
crane location and the damping characteristics of crane structure) together with the calculated mode
shapes, frequencies and mass distribution of the crane.
The Time History Response Method is the third method of seismic response analysis available. It is
employed when:
— only an accurate seismic response of crane is acceptable (see Annex D);
— nonlinearities (due to material behaviour, such as plastic deformations and stresses or dynamic
behaviour nonlinearities, such as gaps, friction, wheels lifting off the rails, or slack in ropes, etc.), if
present, need to be taken into account;
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ISO 11031:2016(E)
— the associated cost of high computational requirements is acceptable.
In the Time History Method, the seismic response is evaluated by using numerical step-by-step
integration in time to solve the formula of motions for crane structure and ground excitation under
consideration, selected to represent seismic condition at crane site.
5 Seismic design by Modified Seismic Coefficient Method
5.1 General
In this method, seismic forces and accelerations acting on the crane are calculated using horizontal and
vertical seismic coefficients, K and K . For cranes with an enhanced risk, the risk coefficient, γ , with a
H V n
value greater than unity shall be applied, in accordance with Clause 7.
5.2 Calculation of horizontal seismic design coefficient, K
H
5.2.1 General
The horizontal seismic design coefficient, K , shall be calculated as follows:
H
KA=×ββ×× fA=×β × f (1)
Hcbg 23 on sg 3 con
where
A is the normalized basic acceleration (see 5.2.2);
bg
A is the normalized surface ground acceleration
sg
β is the subsoil amplification factor (see 5.2.3);
2
β is the acceleration response factor (see 5.2.4);
3
f is the conversion factor f = 0,16 for a return period of 475 years (see 5.2.2) converted to
con con
72 years appropriate for serviceability limit state (SLS) of a seismically resistant crane.
The direction of the normalized accelerations, A and A , are considered to be arbitrary unless
bg sg
seismological considerations dictate otherwise. When the direction is arbitrary, it shall be applied to
produce the maximum effect.
5.2.2 Determination of normalized basic acceleration, A
bg
Normalized basic acceleration, A , is calculated from the Formula (2):
bg
Aa=×/ gf (2)
bg grec
where
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ISO 11031:2016(E)
2
a is the maximum horizontal basic acceleration, in m/s (see Annex B);
g
2
g is the gravity acceleration, in m/s ;
f is a factor depending on the recurrence interval R; for crane design in general a design earth-
rec
quake, which may recur once in intervals of 100 years to 475 years (R = 100 to R = 475) may
be selected:
f = 1,0 for R = 475; this is the default value,
rec
f = 0,5 for R = 100; used only for cranes intended for temporary use at different sites.
rec
See Annex B for suggested values of A and A , for different countries, taking into account regional
bg sg
seismic damage experiences and regional seismicity.
In B.1, the accelerations, A and A , are based on the return period of 475 years ( f = 1,0).
bg sg rec
NOTE 475 years is the most accepted return period used within the seismic data available.
5.2.3 Determination of subsoil amplification factor, β
2
The subsoil amplification factor expresses the influence of the soil surface on the intensity and the
frequencies of the seismic excitation. The principle of this influence is illustrated in Figure 1.
4
Key
1 seismic effects on the surface (recorded seismograms), represented by A in this International Standard
sg
2 rock
3 soft to medium stiff ground
4 stiff ground
5 normalized basic accelerations A (related to seismic bedrock)
bg
Figure 1 — Illustration of the subsoil amplification factor (β )
2
In Table 2, subsoil categories are classified as a function of v , the average shear-velocity through
s,30
the upper 30 m of soil. The values of β shall be selected from this table, for subsoil category at crane
2
location.
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ISO 11031:2016(E)
Table 2 — Determination and values of β
2
Shear-wave velocity
Category Subsoil v β
s,30 2
m/s
Category 0 Rock v > 800 1,0
s,30
Category 1 Stiff ground composed of hard sandy soil strata where soil 360 < v ≤ 800 1,4
s,30
types overlying rock are stable deposits of sands, gravels,
or stiff clays.
Category 2 Medium ground excluding categories 1 and 3. 180 < v ≤ 360 1,6
s,30
Category 3 Soft-to-medium-stiff ground composed of alluvial soil v ≤ 180 2,0
s,30
strata or muddy soil strata characterized by about 30 m or
more soft-to-medium-stiff clay.
5.2.4 Determination of acceleration response factor, β
3
5.2.4.1 General
The value of acceleration response factor, β , shall be determined as a function of
3
— dynamic characteristics of crane support structure where applicable,
— frequency or period of the most significant mode of the crane in the direction under consideration,
— damping ratio of the same mode, and
— subsoil category at the location of the crane.
The most significant modes of the crane are selected from natural periods or frequencies determined
by measurement or by calculation, using recognized computational techniques.
β shall be defined as
3
*
ββ=×ηδ× (3)
33
where
*
is the basic acceleration response factor (see 5.2.4.2);
β
3
η is the damping correction factor (see 5.2.4.3);
δ is the response amplification factor (see 5.2.4.4).
*
5.2.4.2 Basic acceleration response factor, β
3
*
β is the basic acceleration response factor of a crane structure with damping ratio of 0,025.
3
Its values as a function of the natural period or frequency of the crane and of subsoil category at crane
location are shown in Figure 2.
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ISO 11031:2016(E)
Key
1 subsoil categories 0 and 1
2 subsoil category 2
3 subsoil category 3
X1 axis for natural period T [s ] of crane structure
c
X2 axis for natural frequency f [Hz] of crane structure
c
*
Y
axis for the basic acceleration response factor, β
3
*
Figure 2 — Factor β (as a function of crane natural period or frequency and of subsoil
3
category at crane location)
5.2.4.3 Damping correction factor, η
Damping correction factor, η, in Formula (3) shall be defined according to the value of damping ratio, ζ,
of the crane structure as shown in Table 3.
Table 3 — Damping correction factor, η
Damping ratio, ζ 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,04 0,05 0,1
η 1,24 1,15 1,06 1,0 0,94 0,87 0,80 0,62
Typical values of damping ratios for structures, with the members generally stressed below 50 % of
the elastic limit, are ζ = 0,025 for welded construction, ζ = 0,04 for bolted construction and ζ = 0,03 for
welded and bolted construction combined. Higher values of damping ratios may be used for the same
types of construction stressed above 50 % of the elastic limit of the material.
Where a buckling failure mode controls the design higher levels of damping shall not be used.
Alternatively, damping ratios can be obtained by accepted methods, such as the following:
— measurement;
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ISO 11031:2016(E)
— an evaluation of the hysteresis of a force-displacement diagram of nonlinear items such as structural
members with nonlinear behaviour or joints with dry friction.
5.2.4.4 Response amplification factor, δ
For cranes operating on rails laid directly on the ground δ shall be defined as unity, δ = 1.
For cranes operating on rails laid on a supporting structure (e.g. building, pier, jetty) the value of δ can
be determined from the Formula (4):
2
1+ λ
δ =⋅07, 1 ≥1 (4)
22 2
λλ+−1 ⋅κ
( )
where
λ is a factor related to the degree of coupling between crane structure and supporting struc-
ture as given in Table 4;
κ is a factor related to the equivalent damping of the coupled structure between crane struc-
ture and supporting structure as given in Figure 3, where ζ is the damping ratio of the crane
structure (see 5.2.4.3).
Table 4 — Factor λ
Natural period ratio λ
2
18, ⋅⋅TT
cp
T /T ≤ 0,9
C P
11−−θ ⋅
()
22
TT+08, 1⋅
cP
0,9 < T /T ≤ 1,1
C P
θ
2
22, ⋅⋅TT
cp
T /T > 1,1
C P
11−−θ ⋅
()
22
TT+12, 1⋅
cP
where
m
c
is the mass ratio of the crane structure and the supporting structure;
θ =
mm+
cs
m is the mass of the crane as a whole;
C
m is the mass of the supporting structure as a whole;
S
is the largest natural period of the crane structure with the supporting
T
C
structure assumed rigid;
is the largest natural period of the supporting structure with the crane
T
P
structure assumed rigid.
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ISO 11031:2016(E)
Figure 3 — Factor κ
5.3 Calculation of vertical seismic design coefficient, K
V
The vertical seismic design coefficient, K , shall be calculated by Formula (5):
V
Kc=×K (5)
VH
where
c is the vertical influence factor which in this International Standard shall be set to 0,5 (see
Annex F for further information);
K is the horizontal seismic design coefficient as calculated using Formula (1) in 5.2.1.
H
5.4 Calculation of seismic design loads
5.4.1 Calculation of seismic accelerations
Maximum horizontal and vertical seismic accelerations, a and a , shall be calculated from horizontal
H V
and vertical seismic coefficients, K and K , using Formulae (6) and (7):
H V
aK=× g (6)
H H
aK=× g (7)
V V
8 © ISO 2016 – All rights reserved
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ISO 11031:2016(E)
5.4.2 Calculation of seismic forces
Horizontal seismic design force, F , and vertical design force, F , applied to each component or member
H V
of crane structure shall be calculated using Formulae (8) and (9):
FK=×WFor =×am (8)
HH cH Hc
FK=×WFor =×am (9)
VV cV Vc
where
W is the dead weight of a member or component of the crane under consideration;
c
m is the mass of a member or component of the crane under consideration.
c
Seismic forces on suspended load(s) are given by, F and F , for the vertical and horizontal direction
RV RH
respectively. When the horizontal seismic force(s) can be shown to be negligible, only the vertical
seismic force needs to be considered.
FK=×χχ×=WFor am×× (10)
RH HR RH HR
FK=×χχ×=WFor am×× (11)
RV VR RV VR
where
χ is the coefficient of seismic effect on suspended load;
W is the gross load of the crane;
R
m is the mass of the gross load.
R
NOTE The selection of χ in the range of 0,0 to 1,0 could be chosen according to crane classes of ISO 4301-1, as
in Table 5.
Table 5 — Coefficient of seismic effect on suspended load, χ
Crane class
A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8
(ISO 4301-1)
χ 0,0 0,14 0,28 0,43 0,57 0,71 0,86 1,0
6 Seismic design based on Maximum Response Spectrum Method
6.1 General
This approach calculates the seismic response of a crane in frequency domain and with contributions
from multiple modes of vibration taken into account. Response calculation is usually carried out by
calculating separately the responses in three orthogonal directions, two horizontal and one vertical.
The response in each direction is obtained as a combination of the responses for the selected vibrational
modes. The response for each of these modes is calculated using the maximum response acceleration or
displacement obtained from the maximum response spectrum, for the frequency/period and damping
value of the mode under consideration and the effective mass of the mode.
In this International Standard, the vertical response spectrum is calculated as 50 % of the horizontal
spectrum. In the instance that the two horizontal spectra differ, the vertical response shall be calculated
using the larger of the two.
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ISO 11031:2016(E)
An estimate of the total response in each of the three directions is calculated as a combination of the
contributions of the individual significant modes using one of the recognized methods, including the
following:
— sum of absolute values of all contributions;
— square root of the sum of the squares of all contributions (SRSS);
— complete quadratic combination of all contributions (CQC).
The total responses in the three directions are combined to yield the total seismic response of the
crane, the effect of which can then be considered in conjunction with conventional crane service loads.
Crane structure (with an infinite number of degrees of freedom in reality), shall be reduced to a finite
number multi-degree-of-freedom dynamic system using a lumped mass-spring modelling approach, by
employing e.g. finite element analysis (FEA) or any other recognized tools and while ensuring that all
salient vibrational characteristics of the crane have been retained.
The resulting model shall be used to calculate natural periods/frequencies, vibrational mode shapes
and modal participation factors.
Salient steps of seismic response analysis based on the maximum response spectrum method are
shown in Table C.1 (where the example shown refers only to seismic excitation in the x direction).
The method assumes elastic and linear behaviour of crane structure and its accuracy increases with
the increasing number of modes included in the analysis.
6.2 Calculation procedure for total seismic response (TSR)
From the different possibilities mentioned in 6.1, the present International Standard employs the
SRSS method as the default method for combining modal contributions and directional contributions.
Employing the various parameters from the modified seismic coefficient method, the procedure is as
follows.
Using a dynamic model of the crane, together with the finite element analysis (FEA), the maximum
response spectrum method has the following steps.
— Calculation of all natural modes and their frequencies below the rigid body limit, set at 30 Hz.
*
— Selection of the appropriate basic design acceleration response factor, β , from the three options
3
shown in Figure 2, depending on the type of subsoil at the crane site, each curve representing the
relative spectrum acceleration values [g].
— Selection of the significant modes, so that the total sum of participating modal mass exceeds an
agreed limit. A value of 90 % of total mass is the accepted target. However, this value may not be
achievable in some instances, such as the following: an overhead crane with stiff end carriages, a
crane with base ballast, or a crane with a large suspended load included i
...
DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 11031
ISO/TC 96/SC 10 Secretariat: DIN
Voting begins on Voting terminates on
2012-10-10 2013-01-10
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION • МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ • ORGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Cranes — Design principles for seismic load
Grues — Principes de calcul des charges sismiques
ICS 53.020.20
To expedite distribution, this document is circulated as received from the committee
secretariat. ISO Central Secretariat work of editing and text composition will be undertaken at
publication stage.
Pour accélérer la distribution, le présent document est distribué tel qu'il est parvenu du
secrétariat du comité. Le travail de rédaction et de composition de texte sera effectué au
Secrétariat central de l'ISO au stade de publication.
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REFERRED TO AS AN INTERNATIONAL STANDARD UNTIL PUBLISHED AS SUCH.
IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNOLOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES, DRAFT
INTERNATIONAL STANDARDS MAY ON OCCASION HAVE TO BE CONSIDERED IN THE LIGHT OF THEIR POTENTIAL TO BECOME STANDARDS TO
WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN NATIONAL REGULATIONS.
RECIPIENTS OF THIS DRAFT ARE INVITED TO SUBMIT, WITH THEIR COMMENTS, NOTIFICATION OF ANY RELEVANT PATENT RIGHTS OF WHICH
THEY ARE AWARE AND TO PROVIDE SUPPORTING DOCUMENTATION.
© International Organization for Standardization, 2012
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ISO/DIS 11031
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ii © ISO 2012 – All rights reserved
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ISO/DIS 11031
Contents Page
Foreword . v
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 Seismic Design Concept. 2
5 Seismic Design by Modified Seismic Coefficient Method . 3
5.1 General . 3
5.2 Calculation of horizontal seismic design coefficient K . 3
H
5.2.1 General . 3
5.2.2 Determination of Normalised Basic Acceleration A . 3
bg
5.2.3 Determination of Soil Surface Amplification Factor β . 3
2
5.2.4 Determination of Acceleration Response Factor β . 5
3
5.3 Calculation of vertical seismic design coefficient K . 8
v
5.4 Calculation of seismic design loads . 8
5.4.1 Calculation of seismic accelerations . 8
5.4.2 Calculation of seismic forces . 9
5.5 Load combinations . 9
5.5.1 General . 9
5.5.2 Load combinations in accordance with ISO 8686-1 . 9
5.5.3 Load combination according to SRSS-Method . 10
5.6 Proof of competence . 10
Annex A (informative) Flow chart of Seismic Design . 11
Annex B (informative) Design accelerations . 12
B.1 General . 12
B.2 Seismic zones for the Americas . 12
B.2.1 USA . 12
B.2.2 Seismic zones in Mexico . 13
B.3 Seismic zones in Asia . 13
B.3.1 Japan . 13
B.3.2 China . 15
B.3.3 India . 17
B.3.4 Turkey . 19
B.4 Seismic zones in Europe . 20
B.4.1 France . 20
B.4.2 Germany . 22
B.4.3 Seismic zones in UK . 24
B.4.4 Italy . 25
B.5 Seismic Zones in Africa . 27
B.5.1 Morocco . 27
B.5.2 Algeria. 28
B.6 Russia . 29
Annex C (informative) Seismic Risk Factor γ . 31
n
Annex D (informative) Alternative Seismic Design Methods . 32
D.1 General . 32
D.2 Response Spectrum Analysis Method . 32
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D.2.1 General . 32
D.2.2 Calculation of horizontal seismic design coefficient K . 34
H
D.3 Time History Response Method . 35
D.3.1 General . 35
D.3.2 Modelling of crane structure . 37
Annex E (informative) Response Amplification Ratio . 38
Annex F (informative) Relation between Basic acceleration, Mercalli and Richter scales . 42
Annex G (informative) Vertical Seismic Intensity . 43
Bibliography . 44
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ISO/DIS 11031
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards bodies
(ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out through ISO
technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical committee has been
established has the right to be represented on that committee. International organizations, governmental and
non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work. ISO collaborates closely with the
International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of electrotechnical standardization.
International Standards are drafted in accordance with the rules given in the ISO/IEC Directives, Part 2.
The main task of technical committees is to prepare International Standards. Draft International Standards
adopted by the technical committees are circulated to the member bodies for voting. Publication as an
International Standard requires approval by at least 75 % of the member bodies casting a vote.
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of patent
rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights.
ISO 11031 was prepared by Technical Committee ISO/TC 96, Cranes - Safety, Subcommittee SC 10, Design
principles and requirements.
© ISO 2012 – All rights reserved v
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DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 11031
Cranes — Design principles for seismic load
1 Scope
This standard establishes general methods for calculating seismic loads to be used in proofs of competence as defined
in ISO 8686-1 for the structural and mechanical components of cranes as defined in ISO 4306-1 with the exception of
mobile cranes.
This standard evaluates dynamic response behaviours of a crane subjected to seismic excitation as function of the
dynamic characteristics of the crane and of its supporting structure.
The seismic design of cranes takes also into account such dynamic effects as the regional seismic conditions and the
ground surface conditions of the crane location.
In addition, the seismic design of cranes takes into account the operational conditions of the crane as well as the risks
resulting from seismic damage.
The fulfilment of the seismic design requirements can correspond to the imposition of two given limit states, called here:
serviceability and ultimate.
Serviceability limit state imposes that the crane should suffer no damage to its main load carrying structure, and
consequently it should be designed in the elastic range.
Ultimate limit state imposes that the crane structure may be damaged or yielded, but the safety of the public, operators
and workers is safe guarded.
This standard deals with the serviceability limit state only.
NOTE The use of Ultimate Limit State allowing a permanent deformation of the crane structure after a severe earthquake, without
collapse or load release is outside the scope of the current issue of this standard. The proof of competence including plastic
deformations could be done with reference to ISO 10721.
2 Normative references
The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated references, only
the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any
amendments) applies.
ISO 4306 all published parts, Lifting appliances — Vocabulary
ISO 8686 all parts, Cranes — Design principles for loads and load combinations
ISO 20332-1; Cranes — Proof of competence of steel structure — Part 1: General
3 Terms and definitions
The main symbols used in this standard are given in Table 1.
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1
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ISO/DIS 11031
Table 1 — Main symbols
Symbol Description Reference
K Various
Horizontal seismic design coefficient
H
K
Vertical seismic design coefficient Various
v
A
Normalised basic acceleration Various
bg
A
Normalised surface ground acceleration Various
sg
β Various
Soil surface amplification factor
2
β Various
Acceleration response factor
3
*
β of the crane whose damping ratio is 0,025 and given by Figure 1
Various
β
3
3
γ Various
Risk factor
n
Various
η Damping correction factor
Various
δ Response amplification ratio
ζ Damping ratio Various
Various
h Height of the mount base of the crane
H Various
Height of the supporting structure from the ground
Various
c Vertical influence factor
F
Horizontal seismic design force Various
H
F
Vertical seismic design force Various
V
F
Lifting load effect Various
R
4 Seismic Design Concept
There are three main types/methods of seismic response analyses used in seismic design procedures:
• Modified Seismic Coefficient Method,
• Maximum Response Spectrum Method,
• Time History Response Method.
In the Modified Seismic Coefficient Method the applied, seismic load are calculated as products of crane masses and
quasi-static seismic design coefficients which take into account basic dynamic characteristics of the crane (incl.
geographical location, natural frequencies and the damping characteristics).
In the Maximum Response Spectrum Method the seismic loads are calculated in terms of the maximum response
accelerations using selected vibration modes of crane structures.
In the Time History Response Method the seismic response is evaluated by solving the equations of motions using the
numerical step-by-step in time integration, for crane structure and ground excitation data under consideration.
The “Modified Seismic Coefficient Method” is the basis of the standard due to, its simplicity and adequacy for most
applications. However the Maximum Response Spectrum Method and the Time History Response Method are available
as alternative methods of seismic design where more accurate seismic response data of the crane structure is required
(see Annex D).
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2
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ISO/DIS 11031
The Modified Seismic Coefficient Method is executed in an iterative process, indicated in the flow chart in Annex A.
5 Seismic Design by Modified Seismic Coefficient Method
5.1 General
In this method seismic forces and accelerations acting on the crane are calculated using horizontal and vertical seismic
coefficients K and K . For structures with enhanced risk coefficient γ can be applied, in accordance with Annex C and
H V n
clause 5.5.
5.2 Calculation of horizontal seismic design coefficient K
H
5.2.1 General
The horizontal seismic design coefficient K shall be calculated in two orthogonal directions as follows
H
K = A × β × β × 0.4 = A × β × 0.4 (1)
H bg 2 3 sg 3
where
K is the horizontal seismic design coefficient
H
A is the normalised basic acceleration (See 5.2.2.)
bg
A is the normalised surface ground acceleration
sg
β is the soil surface amplification factor (see 5.2.3)
2
β is the acceleration response factor for the direction under consideration (see 5.2.4)
3
5.2.2 Determination of Normalised Basic Acceleration A
bg
Normalised basic acceleration A is calculated from the equation 2 below
bg
A = a g (2)
bg g
where
2
a is the maximum horizontal basic acceleration, in [m/s ] (see Annex F)
g
2
g is the gravity acceleration, in [m/s ]
See Annex B for suggested values of A and A , for different countries, taking into account regional seismic damage
bg sg
experiences and regional seismicity.
The accelerations A and A shall be based on the return period of 475 years (see B.1).
bg sg
5.2.3 Determination of Soil Surface Amplification Factor β
2
The soil surface amplification factor expresses the influence of the soil surface on the intensity and the frequencies of
the seismic excitation. The principle of this influence is illustrated in Figure 1.
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3
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ISO/DIS 11031
Key
1 Seismic effect on the surface (recorded seismograms)
2 Rock
3 Soft to medium stiff ground
4 Stiff ground
5 Normalised basic accelerations A , (related to seismic bedrock)
bg
Figure 1 — Illustration of the amplification factor due to the soil ( β )
2
β shall be determined according to regional subsoil categorization as shown in Table 2.
2
The soil surface categories are expressed as a function of v , which is the average shear-velocity through the upper
s 30 ,
30 meters of soil.
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4
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ISO/DIS 11031
Table 2 — Determination and Values of β
2
Shear-wave
velocity β
Category Subsoil
2
v [m/s]
s,30
Category 0 Rock v > 800 1,0
s,30
Category 1 Stiff ground composed of hard sandy soil 360 < v ≤ 800 1,4
s,30
strata where soil types overlying rock are
stable deposits of sands, gravels, or stiff
clays.
Category 2 Medium ground excluding 180 < v ≤ 360 1,6
s,30
categories 1 and 3.
Category 3 Soft-to-medium-stiff ground composed of v ≤ 180 2,0
s,30
alluvial soil strata or muddy soil strata
characterized by about 30 m or more soft-to-
medium-stiff clay.
5.2.4 Determination of Acceleration Response Factor β
3
5.2.4.1 General
The value of acceleration response factor β shall be determined as a function of:
3
dynamic characteristic of crane support structure where applicable
the natural frequency or period of the most significant mode in the direction under consideration
the damping ratio of the mode
the soil category at crane location.
The natural period or frequency may be determined by experimental measurement or using recognised computational
techniques.
β shall be defined as
3
∗
β = β ×η ×δ (3)
3 3
where
∗
β is the basic acceleration response factor (see 5.2.4.2)
3
η is the damping correction factor (see 5.2.4.3)
δ is the response amplification ratio (see. 5.2.4.4)
∗
5.2.4.2 Basic acceleration response factor β
3
∗
β is the acceleration response factor of a crane structure with damping ratio of 0,025.
3
Its values as a function of crane natural period or frequency and soil category are shown in Figure 2.
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5
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ISO/DIS 11031
Key
X1 Axis for natural period T [s ] of crane structure
c
X2 Axis for natural frequency f [Hz] of crane structure
c
*
Y Axis for the acceleration response factor β
3
1 Categories 0 and 1
2 Category 2
3 Category 3
∗
Figure 2 — Definition of β by subsoil categorization
3
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6
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ISO/DIS 11031
5.2.4.3 Damping correction factor η
Damping correction factor η in equation (3) shall be defined according to damping ratio of the crane structure as
described in Table 3.
Table 3 — Damping correction factor η
Damping ratio ζζ 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,05 0,1
ζζ
η
1,24 1,15 1,06 1,0 0,94 0,80 0,62
Typical values of damping ratio are ζ = 0,025, for welded construction, ζ = 0,04 for bolted construction, and ζ = 0,03 for
combined, welded and bolted crane construction, all remaining well within the elastic range. For the same types of
constructions stressed close to the elastic limit higher values may be used.
Alternatively damping ratios can be obtained by accepted methods such as;
measurement
for non-linear behaviour of structural members and/or dry friction at joints by evaluating the hysteresis of force-
displacement curve.
5.2.4.4 Response amplification ratio δ
For cranes operating on rails laid directly on the ground δ shall be defined as unity, δ = 1.
For cranes operating on rails laid on a supporting structure (See Figure 2, e.g. building, pier, jetty) the value of δ may
be determined from the simplified equation (4) or more accurately following the procedure in Annex E.
h h
31+ 31+
H H
δ = − 0,5 = − 0,5 (4)
2 2
f T
s c
1+ 1− 1+ 1−
f T
c s
where
H is the height of the supporting structures from the ground surface as shown in Figure 3.
h is the height of the mount base of the crane as shown in Figure 3.
f is the natural frequency of the crane
c
f is the natural frequency of the supporting structure (without the crane)
s
T is the natural period of the crane
c
T is the natural period of the supporting structure (without the crane)
s
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7
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ISO/DIS 11031
Key
1 supporting structure
2 crane
H height of the supporting structures from the ground surface
h height of the mount base of the crane
Figure 3 — Response amplification of crane on the supporting structure
5.3 Calculation of vertical seismic design coefficient K
v
Vertical seismic design coefficient K shall be calculated by equation (5)
v
K = c × K (5)
v H
where
c is the vertical influence factor which shall be basically fixed to 0,5 (See Annex G for further information)
5.4 Calculation of seismic design loads
5.4.1 Calculation of seismic accelerations
Maximum horizontal and vertical seismic accelerations a and a shall be calculated from horizontal and vertical
H v
seismic coefficients K and K using equations (6) and (7)
H V
a = K × g (6)
H H
a = K × g
v V
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8
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ISO/DIS 11031
5.4.2 Calculation of seismic forces
Horizontal seismic design load F and vertical design load F for each component or member of the crane structure,
H v
shall be calculated by equation (8) and equation (9)
F = K ×W or F = a × m (8)
H H c
H H c
F = K ×W or F = a × m (9)
v v c
v v c
where
W is the dead weight of each constituent member or component of the crane
c
m is the mass of each constituent member or component of the crane
c
The seismic effects in the vertical and horizontal directions on lifted load(s) are given by F and F . Only the vertical
RV RH
effect shall be considered if the horizontal effect can be shown to be negligible.
F = K × χ ×W or F = a × χ × m (9.1)
RH H R RH H R
F = K × χ ×W or F = a × χ × m (9.2)
RV V R RV V R
where
χ is the coefficient of seismic effect hook load
W is the maximum rated load of the crane
R
m is the mass of the maximum rated load
R
NOTE The selection of χ in the range of 0,0 to 1,0 should be in line with crane classes in accordance with ISO 4301-1. As
guideline, for crane class A1 χ = 0,0 may be chosen and for crane class A8 χ = 1,0 may be chosen.
5.5 Load combinations
5.5.1 General
Two methods of combining the effects of seismic loads and other loads are shown in 5.5.2 and 5.5.3, with the method
shown in 5.5.2 being the preferred method of this standard.
5.5.2 Load combinations in accordance with ISO 8686-1
The seismic design load actions shall be combined with other load actions according to the principles of ISO 8686-1
using the following table 4.
If a risk factor γ (see Annex C) is selected, then all factors shown in the table shall be multiplied byγ :
n n
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9
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ISO/DIS 11031
Table 4 — Seismic load combinations
Loads Load combination C
Mass of the crane 1 1
Mass of the gross load 1 1
Excitation of the crane foundation
1 0,4
in vertical direction: F , F
v RV
Excitation of the crane foundation
0,4 1
in horizontal direction F , F
H RH
5.5.3 Load combination according to SRSS-Method
The resulting seismic stress σ using the Square Root of the Sum of the Squares Method (SRSS) for combining the
E
vertical and horizontal effects of seismic design forces shall be calculated as follows:
2 2
σ = σ + σ (10)
E eq,H eq,V
Where
σ is the equivalent stress (e.g. von Mises) due to the effect of horizontal seismic design load F ,
eq,H H
σ is the equivalent stress (e.g. von Mises) due to the effect of vertical seismic design load F
V
eq,V
Table 5 — Seismic load combinations in SRSS Method
Loads Load combination C
Mass of the crane 1
Mass of the gross load 1
σ 1
E
5.6 Proof of competence
Proof of competence shall be made in accordance with ISO 20332.
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ISO/DIS 11031
Annex A
(informative)
Flow chart of Seismic Design
Figure A.1 shows a schematic flow chart of seismic design procedure of cranes based on the Modified Seismic
Coefficient Method.
Figure A.1 — Seismic design flow chart of cranes based on modified seismic coefficient method
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ISO/DIS 11031
Annex B
(informative)
Design accelerations
B.1 General
The Normalised basic accelerations A , depends on the earthquake hazard assessment at the zone and the country
bg
where the crane is located. The Normalised surface accelerations A takes into account the characteristics of the
sg
subsoil.
The Normalised basic accelerations A given in tables for different countries are based on a return period of 475 years.
bg
They correspond to a 10 % probability of exceedance in 50 years (0,2 percent probability of exceedance in 1 year).
In the absence of more specific data examples of national data included in this annex may be used.
B.2 Seismic zones for the Americas
B.2.1 USA
Figure B.1 illustrates the seismic zone map for areas in United States of America (USA) by Uniform Building Code
(UBC). USA land is divided into five zones, namely, 1, 2A, 2B, 3 and 4.
Key
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12
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ISO/DIS 11031
Zone 0 Zone 2B
Zone 1 Zone 3
Zone 2A Zone 4
Figure B.2.1 — Seismic zones in USA
Table B.2.1 — Normalised basic accelerations in the USA
Normalised basic accelerations
A
Zone
bg
(g)
0 0
1 0,075
2A 0,15
2B 0,20
3 0,30
4 0,40
B.2.2 Seismic zones in Mexico
B.3 Seismic zones in Asia
B.3.1 Japan
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ISO/DIS 11031
Key
Zone C Zone A
Zone B Zone SA
Figure B.3.1 — Seismic zones in Japan
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ISO/DIS 11031
Table B.B.1 — Normalised basic accelerations in Japan
Normalised basic accelerations
A
Zone
bg
(g)
SA 0,125
A 0,1
B 0,075
C 0,04
NOTE The values in the table refer to a 10% probability of exceedance in 50 years. The ratio of 10% probability of exceedance
in 50 years to that in 30 years (commonly used in Japan) is on average 1,25. (i.e, the Normalised accelerations A and A
bg sg
corresponding to a 10% probability of exceedance in 30 years are obtained by multiplying the values in the table by 0,8).
B.3.2 China
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 11031
Première édition
2016-08-01
Version corrigée
2016-09-15
Appareils de levage à charge
suspendue — Principes pour une
conception résistante à la sismicité
Cranes — Principles for seismically resistant design
Numéro de référence
ISO 11031:2016(F)
©
ISO 2016
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ISO 11031:2016(F)
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ii © ISO 2016 – Tous droits réservés
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Sommaire Page
Avant-propos .iv
Introduction .v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Symboles . 1
4 Méthodes de conception sismique . 2
5 Conception sismique selon la méthode du coefficient sismique modifié .3
5.1 Généralités . 3
5.2 Détermination du coefficient sismique horizontal de calcul, K .
H 3
5.2.1 Généralités . 3
5.2.2 Détermination de l’accélération normalisée de base A .
bg 4
5.2.3 Détermination du coefficient de l’amplification due au sous-sol, β .
2 4
5.2.4 Détermination du coefficient de réponse en accélération, β .
3 5
5.3 Détermination du coefficient sismique vertical de calcul K .
V 9
5.4 Détermination des charges sismiques de calcul . 9
5.4.1 Calcul des accélérations sismiques . 9
5.4.2 Calcul des efforts sismiques .10
6 Conception sismique basée sur la méthode du spectre de réponse maximale .10
6.1 Généralités .10
6.2 Procédure de calcul de la réponse sismique globale (TSR) .11
7 Combinaisons des effets sismiques et non-sismiques .12
7.1 Généralités .12
7.2 Vérification de la résistance statique: combinaisons de charges selon l’ISO 8686-1 .13
7.3 Vérification de la résistance statique: combinaisons de charges selon la méthode SRSS .13
7.4 Vérification de la stabilité globale .13
7.5 Vérification d’aptitude des charpentes d’appareil de levage .14
Annexe A (informative) Logigramme de conception sismique .15
Annexe B (informative) Accélérations de calcul et zones sismiques .16
Annexe C (informative) Informations relatives à la méthode du spectre de réponse maximale .33
Annexe D (informative) Méthode de la réponse temporelle et comparaison des diverses
méthodes sismiques disponibles .36
Annexe E (informative) Relation entre l’accélération de base et les échelles de Mercalli et
de Richter .39
Annexe F (informative) Intensité sismique verticale .40
Bibliographie .41
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Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
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Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation
de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’Organisation
mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien
suivant: www.iso.org/iso/fr/avant-propos.html
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 96, Appareils de levage à charge
suspendue, sous-comité SC 10, Conception, principes et exigences.
La présente version corrigée de l’ISO 11031:2016 inclut les corrections suivantes:
— dans la Formule (9), “a ” a été changé en “a ” pour signifier verticale, pas horizontale, accélération
H V
séismique;
— en 6.2, dans l’étape qui décrit l’utilisation des accélérations finales du spectre de conception
et des facteurs de participation en tant que données de départ pour le calcul de la réponse pour
les modes sélectionnés, les directions d’axe ont été mises en italique, en tant que X, Y et Z, et une
référence croisée manquante au Tableau C.1 a été réinsérée.
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ISO 11031:2016(F)
Introduction
Une protection économiquement acceptable contre les effets d’un séisme est habituellement fondée sur
deux états limites de calcul qui spécifient la réponse requise de l’appareil de levage à un séisme modéré
et à un séisme violent et qui sont exprimés en termes d’état limite de service et d’état limite ultime.
— L’état limite de service (ELS) établit qu’il convient que l’appareil de levage à charge suspendue
supporte les mouvements du sol dus à un séisme modéré, susceptibles de survenir sur le site pendant
sa durée de vie. Les contraintes résultantes resteront dans les limites acceptées.
— L’état limite ultime (ELU) établit qu’il convient que l’appareil de levage à charge suspendue ne
s’effondre pas ou ne subisse pas des formes similaires de défaillance de la charpente dues aux
mouvements du sol d’un séisme violent, que la charge suspendue ou toute autre partie de l’appareil
de levage ne tombe pas et que la sécurité du public, des opérateurs et des travailleurs soient
sauvegardés. L’appareil de levage n’est pas supposé rester opérationnel après le séisme. Néanmoins,
en cas de défaillance dans le flux d’effort principal, il est encore possible d’affaler la charge au sol
après le séisme.
© ISO 2016 – Tous droits réservés v
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NORME INTERNATIONALE ISO 11031:2016(F)
Appareils de levage à charge suspendue — Principes pour
une conception résistante à la sismicité
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale établit des méthodes générales de calcul des charges sismiques
destinées à être utilisées telles que définies dans la série des ISO 8686 et pour la vérification d’aptitude
telle que définie dans l’ISO 20332, pour la structure et les composants mécaniques des appareils de
levage que définie dans l’ISO 4306.
La présente Norme internationale évalue le comportement de réponse dynamique d’un appareil de
levage à charge suspendue soumis à une excitation sismique, comme fonction des caractéristiques
dynamiques de l’appareil de levage à charge suspendue et de sa structure porteuse.
L’évaluation prend en considération les effets dynamiques dus aux conditions sismiques régionales
ainsi que celles dues aux conditions locales à la surface du sol, à l’emplacement d’un appareil de levage.
En outre, l’évaluation tient également compte des conditions opérationnelles de l’appareil de levage à
charge suspendue, ainsi que des risques résultant des dommages sismiques.
La présente Norme internationale est limitée à l’état limite de service (ELS), maintenant les contraintes
dans le domaine élastique conformément à l’ISO 20332.
La présente édition ne couvre pas la vérification d’aptitude qui inclut des déformations plastiques.
Lorsqu’elles sont autorisées par un accord entre le fournisseur d’appareil de levage à charge suspendue
et le client, d’autres normes ou documents pertinents les prenant en compte peuvent être utilisés.
2 Références normatives
Les documents suivants, entièrement ou en partie, sont référencés de façon normative dans le présent
document et sont indispensables à son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 4306 (toutes les parties), Appareils de levage à charge suspendue — Vocabulaire
ISO 8686 (toutes les parties), Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul des charges et
des combinaisons de charges
ISO 20332, Appareils de levage à charge suspendue — Vérification d’aptitude des charpentes en acier
3 Symboles
Les principaux symboles utilisés dans la présente Norme internationale sont donnés dans le Tableau 1.
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ISO 11031:2016(F)
Tableau 1 — Principaux symboles
Symbole Description
K Coefficient sismique horizontal de calcul
H
K Coefficient sismique vertical de calcul
V
A Accélération normalisée de base
bg
A Accélération normalisée à la surface du sol
sg
f Facteur de conversion
con
f Facteur de récurrence
rec
β Coefficient de l’amplification due au sous-sol
2
β Coefficient de réponse en accélération
3
Coefficient de base de réponse en accélération β de l’appareil de levage à charge suspendue dont
3
*
β
le taux d’amortissement est de 0,025 et qui est donné par la Figure 2
3
γ Coefficient de risque
n
η Coefficient de correction d’amortissement
δ Coefficient d’amplification de la réponse
ζ Taux d’amortissement
c Facteur d’influence verticale
F Effort sismique horizontal de calcul
H
F Effort sismique vertical de calcul
V
F , F Efforts sismiques (horizontal et vertical) sur une charge suspendue
RH RV
4 Méthodes de conception sismique
Il y a trois principales méthodes d’analyse de réponse sismique utilisées dans la conception sismique:
— la méthode du coefficient sismique modifié,
— la méthode du spectre de réponse maximale,
— la méthode de la réponse temporelle.
Avec la méthode du coefficient sismique modifié, les efforts sismiques quasi statiques appliqués sont
calculés comme étant les produits des coefficients sismiques par les masses de l’appareil de levage.
L’évaluation des coefficients sismiques tient compte de l’emplacement géographique de l’appareil
de levage, de ses caractéristiques sismiques, des caractéristiques dynamiques de base de l’appareil
de levage, à savoir la fréquence ou la période propre et des caractéristiques d’amortissement, selon
trois directions principales orthogonales de l’appareil de levage (une verticale et deux horizontales).
Cette méthode constitue la base de la présente Norme internationale du fait de sa simplicité (voir
Article 5) et sa procédure est exécutée comme faisant partie du processus itératif de conception décrit
dans le logigramme de l’Annexe A.
La méthode du spectre de réponse maximale (voir Article 6) est une méthode alternative d’analyse de
réponse sismique utilisée lorsque:
— une réponse sismique de l’appareil de levage plus précise que celle déterminée par la méthode du
coefficient sismique modifié est requise,
— le coût des ressources nécessaires en calcul numérique est économiquement acceptable.
Son application est limitée aux systèmes linéaires et aux systèmes dont les éventuelles non-linéarités
peuvent être négligées.
La méthode du spectre de réponse maximale calcule en premier lieu les fréquences ou périodes propres
ainsi que les formes modales associées de l’appareil de levage. Les efforts sismiques et la réponse de
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ISO 11031:2016(F)
l’appareil de levage sont ensuite calculés pour les modes de vibrations sélectionnés de la charpente de
l’appareil de levage, à partir des accélérations de réponse maximales (choisies à partir des spectres
de réponse maximale qui prennent également en compte les caractéristiques sismiques au niveau
de l’emplacement géographique de l’appareil et les caractéristiques d’amortissement de la charpente
de l’appareil) associées aux formes modales calculées, aux fréquences et à la répartition de masse de
l’appareil de levage.
La méthode de la réponse temporelle est la troisième méthode possible pour l’analyse de réponse
sismique. Elle n’est employée que si:
— une réponse sismique précise de l’appareil de levage est acceptable (voir Annexe D),
— des éventuelles non-linéarités (dues au comportement du matériau telles que des déformations
plastiques et des contraintes ou des non-linéarités de comportement dynamique telles que des jeux,
des frottements, des galets décollant de leurs rails ou des câbles détendus, etc.) doivent être prises
en considération,
— le coût associé aux exigences de grande capacité de calcul est acceptable.
La méthode de la réponse temporelle évalue la réponse sismique en résolvant les formules de
mouvements par intégration numérique pas à pas dans le temps, pour la charpente de l’appareil de
levage et pour l’excitation sismique considérées, sélectionnées pour représenter la condition sismique à
l’emplacement géographique de l’appareil de levage.
5 Conception sismique selon la méthode du coefficient sismique modifié
5.1 Généralités
Dans cette méthode, les efforts et accélérations sismiques agissant sur l’appareil de levage sont calculés
en utilisant les coefficients sismiques horizontal et vertical K et K . Pour les appareils de levage
H V
exposés à des risques accrus, le coefficient de risque, γ , doit être appliqué avec une valeur supérieure
n
à un, conformément à l’Article 7.
5.2 Détermination du coefficient sismique horizontal de calcul, K
H
5.2.1 Généralités
Le coefficient sismique horizontal de calcul K doit être calculé de la manière suivante:
H
KA=×ββ×× fA=×β × f (1)
Hcbg 23 on sg 3 con
où
A est l’accélération normalisée de base (voir 5.2.2);
bg
A est l’accélération normalisée à la surface du sol;
sg
β est le coefficient de l’amplification due au sous-sol (voir 5.2.3);
2
β est le coefficient de réponse en accélération (voir 5.2.4).
3
f est le coefficient de conversion f = 0,16 pour une période de retour de 475 ans (voir 5.2.2)
con con
convertie à 72 ans, appropriée pour l’état limite de service (ELS) d’un appareil de levage résis-
tant à la sismicité
Il est considéré que la direction des accélérations normalisées, A et A , est arbitraire sauf si des
bg sg
considérations sismologiques établissent le contraire. Lorsque la direction est arbitraire, elle doit être
appliquée de manière à produire l’effet maximal.
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ISO 11031:2016(F)
5.2.2 Détermination de l’accélération normalisée de base A
bg
L’accélération normalisée de base A est calculée à l’aide de la Formule (2) ci-dessous:
bg
Aa=×/ gf (2)
bg grec
où
2
a est l’accélération de base horizontale maximale, en m/s (voir Annexe B);
g
2
g est l’accélération due à la pesanteur, en m/s ;
f est un facteur dépendant de l’intervalle de récurrence R; pour la conception de l’appareil de
rec
levage, en général, un séisme de conception susceptible de se produire une fois par intervalle
de 100 à 475 ans (de R = 100 jusqu’à R = 475) peut être sélectionné:
f = 1,0 pour R = 475; il s’agit de la valeur par défaut,
rec
f = 0,5 pour R = 100; utilisé uniquement pour les appareils de levage voués à une utilisation
rec
temporaire sur différents sites.
Voir l’Annexe B pour des valeurs suggérées de A et A pour différents pays, tenant compte de
bg sg
l’historique des dommages sismiques régionaux et de l’activité sismique régionale.
Les accélérations A et A présentées en B.1 sont basées sur une période de retour de 475 ans
bg sg
( f = 1,0).
rec
NOTE 475 ans correspondent à la période de retour la plus reconnue, utilisée parmi les données sismiques
disponibles.
5.2.3 Détermination du coefficient de l’amplification due au sous-sol, β
2
Le coefficient de l’amplification due au sous-sol reflète l’influence de la surface du sol sur l’intensité et
les fréquences de l’excitation sismique. Le principe de cette influence est illustré à la Figure 1.
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ISO 11031:2016(F)
4
Légende
1 effet sismique en surface (sismogrammes enregistrés), représenté par A dans la présente Norme internationale
sg
2 roche
3 sol meuble à moyennement dur
4 sol dur (tassé)
5 accélérations normalisées de base A (en fonction du substratum rocheux sismique)
bg
Figure 1 — Illustration du coefficient de l’amplification due au sous-sol (β )
2
Dans le Tableau 2, les catégories de sous-sol sont classées en fonction de v , qui est la vitesse
s,30
moyenne des ondes de cisaillement dans la couche supérieure du sol profonde de 30 m. Les valeurs de
β doivent être sélectionnées à partir de ce tableau, pour la catégorie de sous-sol à l’emplacement de
2
l’appareil de levage.
Tableau 2 — Détermination et valeurs de β
2
Vitesse des ondes de
cisaillement
Catégorie Sous-sol β
2
v
s,30
m/s
Catégorie 0 Roche v > 800 1,0
s,30
Sol dur composé de couches de sols sablonneux durs où les
Catégorie 1 types de sol situés au-dessus de la roche sont constitués de 360 < v ≤ 800 1,4
s,30
dépôts stables de sable, de gravier ou d’argile consolidée
Catégorie 2 Sol moyen, n’appartenant pas aux catégories 1 et 3 180 < v ≤ 360 1,6
s,30
Sol meuble à moyennement dur composé de couches de sols
Catégorie 3 alluviaux ou de couches de sols boueux caractérisés par v ≤ 180 2,0
s,30
environ 30 m ou plus de dépôt meuble à moyennement dur
5.2.4 Détermination du coefficient de réponse en accélération, β
3
5.2.4.1 Généralités
La valeur du coefficient de réponse en accélération, β , doit être déterminée comme une fonction:
3
— des caractéristiques dynamiques de la structure porteuse de l’appareil de levage, le cas échéant,
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ISO 11031:2016(F)
— de la fréquence ou de la période du mode le plus significatif de l’appareil de levage dans la direction
considérée,
— du taux d’amortissement de ce même mode, et
— de la catégorie de sous-sol à l’emplacement de l’appareil de levage.
Les modes les plus significatifs de l’appareil de levage sont sélectionnés à partir des périodes ou
fréquences propres déterminées par mesurage ou par calcul, en utilisant les techniques de calcul
numérique reconnues.
β doit être défini de la manière suivante:
3
*
ββ=×ηδ× (3)
33
où
*
est le coefficient de base de réponse en accélération (voir 5.2.4.2);
β
3
η est le coefficient de correction d’amortissement (voir 5.2.4.3);
δ est le rapport d’amplification de la réponse (voir 5.2.4.4).
*
5.2.4.2 Coefficient de base de réponse en accélération β
3
*
β est le coefficient de base de réponse en accélération de la charpente d’un appareil de levage avec un
3
taux d’amortissement de 0,025.
Ses valeurs dépendant de la période ou de la fréquence propre de l’appareil de levage et de la catégorie
de sous-sol à l’emplacement de l’appareil de levage sont indiquées à la Figure 2.
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ISO 11031:2016(F)
Légende
1 catégories de sous-sol 0 et 1
2 catégorie de sous-sol 2
3 catégorie de sous-sol 3
X1 Axe pour la période propre T [s] de la charpente de l’appareil de levage
c
X2 axe pour la fréquence propre f [Hz] de la charpente de l’appareil de levage
c
*
Y
axe du coefficient de base de réponse en accélération β
3
*
Figure 2 — Facteur β (dépendant de la période ou de la fréquence propre de l’appareil de
3
levage et de la catégorie de sous-sol à l’emplacement de l’appareil de levage)
5.2.4.3 Coefficient de correction d’amortissement, η
Le coefficient de correction d’amortissement η utilisé dans la Formule (3) doit être défini en fonction du
taux d’amortissement ζ de la charpente de l’appareil de levage, comme indiqué dans le Tableau 3.
Tableau 3 — Coefficient de correction d’amortissement, η
Taux d’amortisse-
0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,04 0,05 0,1
ment, ζ
η 1,24 1,15 1,06 1,0 0,94 0,87 0,80 0,62
Les valeurs types du taux d’amortissement pour les charpentes, avec des éléments généralement soumis
à une contrainte en-dessous de 50 % de leur limite d’élasticité, sont ζ = 0,025 pour les constructions
soudées, ζ = 0,04 pour les constructions boulonnées et ζ = 0,03 pour les constructions mixtes, soudées
et boulonnées. Des taux d’amortissement plus importants peuvent être utilisés pour les mêmes types
de constructions soumises à des contraintes au-dessus de 50 % de la limite d’élasticité du matériau.
Lorsqu’un mode de défaillance par flambage contrôle la conception, des niveaux plus hauts
d’amortissement ne doivent pas être utilisés.
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Les taux d’amortissement peuvent également être obtenus par l’intermédiaire de méthodes acceptées
telles que:
— des mesures;
— une évaluation de l’hystérésis de la courbe effort/déplacement pour les éléments non linéaires tels
que les éléments de charpente à comportement non linéaire ou des assemblages à frottement sec.
5.2.4.4 Facteur d’amplification de la réponse, δ
Pour les appareils de levage opérant sur rails posés directement sur le sol, δ doit être défini comme une
unité, δ = 1.
Pour les appareils de levage opérant sur des rails placés sur une structure porteuse (par exemple, un
bâtiment, une digue, une jetée), la valeur de δ peut être déterminée à partir de la Formule (4):
2
1+ λ
δ =⋅07, 1 ≥1 (4)
22 2
λλ+−1 ⋅κ
( )
où
λ est un coefficient associé au degré de couplage entre la charpente de l’appareil de levage et sa
structure porteuse, comme indiqué dans le Tableau 4;
κ est un coefficient associé à l’amortissement équivalent de la structure couplée entre la charpente
de l’appareil de levage et sa structure porteuse comme présenté sur la Figure 3, où ζ est le taux
d’amortissement de la charpente de l’appareil de levage (voir 5.2.4.3).
Tableau 4 — Coefficient λ
Rapport des périodes propres λ
2
18, ⋅⋅TT
cp
T /T ≤ 0,9
C P
11−−θ ⋅
()
22
TT+08, 1⋅
cP
0,9 < T /T ≤ 1,1
C P
θ
2
22, ⋅⋅TT
cp
T /T > 1,1
C P
11−−θ ⋅
()
22
TT+12, 1⋅
cP
où
m
est le rapport des masses entre la charpente de l’appareil de levage et la
c
θ =
structure porteuse;
mm+
cs
est la masse de l’ensemble de l’appareil de levage;
m
c
est la masse de l’ensemble de la structure porteuse;
m
s
est la période propre maximale de la charpente de l’appareil de levage,
T
c
avec la structure porteuse supposée rigide;
est la période propre maximale de la structure porteuse, avec la char-
T
p
pente de l’appareil de levage supposée rigide.
8 © ISO 2016 – Tous droits réservés
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ISO 11031:2016(F)
Figure 3 — Coefficient κ
5.3 Détermination du coefficient sismique vertical de calcul K
V
Le coefficient sismique vertical de calcul K doit être déterminé à l’aide de la Formule (5):
V
Kc=×K (5)
V H
où
c est le facteur d’influence verticale qui doit être fixé dans le cadre de la présente Norme interna-
tionale à 0,5 (voir Annexe F pour de plus amples informations);
K est le coefficient sismique horizontal de calcul déterminé à l’aide de la Formule (1) en 5.2.1.
H
5.4 Détermination des charges sismiques de calcul
5.4.1 Calcul des accélérations sismiques
L’accélération sismique horizontale maximale, a et l’accélération sismique verticale maximale a
H v
doivent être calculées à partir du coefficient sismique horizontal, K et du coefficient sismique
H
vertical K , à l’aide des Formules (6) et (7):
V
aK=× g (6)
H H
aK=× g (7)
V V
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ISO 11031:2016(F)
5.4.2 Calcul des efforts sismiques
L’effort sismique horizontal de calcul, F , et l’effort sismique vertical de calcul F appliqués à chaque
H V
composant ou élément de la charpente de l’appareil de levage doivent être calculés à l’aide des
Formules (8) et (9):
FK=×WFou =×am (8)
HH cH Hc
FK=×WFou =×am (9)
VV cV Vc
où
W est le poids propre de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage considéré;
c
m est la masse de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage considéré.
c
Les efforts sismiques sur la (les) charge(s) suspendue(s) sont donnés par F et F pour la direction
RV RH
verticale et la direction horizontale respectivement. Lorsqu’il peut être démontré que le ou les efforts
sismiques horizontaux sont négligeables, seul l’effort sismique vertical est à prendre en considération.
FK=×χχ×=WFou am×× (10)
RH HR RH HR
FK=×χχ×=WFou am×× (11)
RV VR RV VR
où
χ est le coefficient de l’effet sismique sur une charge suspendue;
W est la charge brute de l’appareil de levage;
R
m est la masse de la charge brute.
R
NOTE La valeur de Χ
...
DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 11031
ISO/TC 96/SC 10 Secretariat: DIN
Voting begins on Voting terminates on
2012-10-10 2013-01-10
INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARDIZATION • МЕЖДУНАРОДНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ • ORGANISATION INTERNATIONALE DE NORMALISATION
Grues — Principes de calcul des charges sismiques
Cranes — Design principles for seismic loads
[Revision of xxx edition (ISO #####-##:####)]
ICS 53.020.20
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Sommaire Page
Avant-propos . v
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 2
4 Notion de conception sismique . 2
5 Conception sismique selon la méthode du coefficient sismique modifié . 3
5.1 Généralités . 3
5.2 Détermination du coefficient sismique horizontal de calcul K . 3
H
5.2.1 Généralités . 3
5.2.2 Détermination de l’accélération normalisée de base A . 3
bg
5.2.3 Détermination du coefficient d’amplification due au sol de surface β . 4
2
5.2.4 Détermination du coefficient de réponse en accélération β . 5
3
5.3 Détermination du coefficient sismique vertical de calcul K . 8
v
5.4 Détermination des charges sismiques de calcul . 8
5.4.1 Calcul des accélérations sismiques . 8
5.4.2 Calcul des efforts sismiques . 9
5.5 Combinaisons de charges . 9
5.5.1 Généralités . 9
5.5.2 Combinaisons de charges selon l’ISO 8686-1 . 9
5.5.3 Combinaison de charges selon la méthode SRSS . 10
5.6 Vérification d’aptitude . 10
Annexe A (informative) Logigramme de conception sismique . 11
Annexe B (informative) Accélérations de calcul . 12
B.1 Généralités . 12
B.2 Zones sismiques pour le continent américain . 12
B.2.1 États-Unis . 12
B.2.2 Zones sismiques au Mexique . 13
B.3 Zones sismiques en Asie. 13
B.3.1 Japon . 13
B.3.2 Chine . 15
B.3.3 Inde . 16
B.3.4 Turquie. 17
B.4 Zones sismiques en Europe . 19
B.4.1 France . 19
B.4.2 Allemagne. 20
B.4.3 Zones sismiques au Royaume-Uni . 22
B.4.4 Italie . 23
B.5 Zones sismiques en Afrique. 25
B.5.1 Maroc . 25
B.5.2 Algérie. 26
B.6 Russie . 27
Annexe C (informative) Coefficient de risque sismique γ . 29
n
Annexe D (informative) Méthodes alternatives de conception sismique . 30
D.1 Généralités . 30
D.2 Méthode par analyse du spectre de réponse . 30
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ISO/DIS 11031
D.2.1 Généralités . 30
D.2.2 Détermination du coefficient sismique horizontal de calcul . 32
K
H
D.3 Méthode par la réponse temporelle . 33
D.3.1 Généralités . 33
D.3.2 Modélisation de la charpente de l’appareil de levage . 34
Annexe E (informative) Taux d’amplification de la réponse . 35
Annexe F (informative) Relation entre l’accélération de base et les échelles de Mercalli et de
Richter . 38
Annexe G (informative) Intensité sismique verticale . 39
Bibliographie . 40
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ISO/DIS 11031
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de
normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée
aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du
comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non
gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec
la Commission électrotechnique internationale (CEI) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.
Les Normes internationales sont rédigées conformément aux règles données dans les Directives ISO/CEI,
Partie 2.
La tâche principale des comités techniques est d'élaborer les Normes internationales. Les projets de Normes
internationales adoptés par les comités techniques sont soumis aux comités membres pour vote. Leur
publication comme Normes internationales requiert l'approbation de 75 % au moins des comités membres
votants.
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne
pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence.
L'ISO 11031 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 96, Appareils de levage à charge suspendue,
sous-comité SC 10, Conception, principes et exigences.
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PROJET DE NORME INTERNATIONALE ISO/DIS 11031
Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul
des charges sismiques
1 Domaine d’application
La présente norme établit des méthodes générales de calcul des charges sismiques destinées à être utilisées
pour les vérifications d’aptitude décrites dans l’ISO 8686-1, pour les composants de charpente et de
mécanisme des appareils de levage tels que définis dans l’ISO 4306-1, à l’exception des grues mobiles.
La présente norme évalue les comportements de réponse dynamique d’un appareil de levage à charge
suspendue soumis à une excitation sismique, comme fonction des caractéristiques dynamiques de l’appareil
de levage à charge suspendue et de sa structure porteuse.
La conception sismique des appareils de levage à charge suspendue prend également en considération les
effets dynamiques tels les conditions sismiques régionales et les conditions à la surface du sol à
l’emplacement de l’appareil de levage à charge suspendue.
En outre, la conception sismique des appareils de levage à charge suspendue tient compte des conditions
opérationnelles de l’appareil de levage à charge suspendue, ainsi que des risques résultant des dommages
sismiques.
La satisfaction des exigences de conception sismique peut correspondre à l’imposition de deux états limites
donnés, désignés de la manière suivante dans le présent document : état limite de service et état limite
ultime.
L’état limite de service établit qu’il convient que l’appareil de levage à charge suspendue ne subisse aucun
dommage au niveau de sa charpente principale porteuse de charge et, par conséquent, qu’il convient qu’il soit
conçu dans le domaine d’élasticité.
L’état limite ultime établit que la charpente de l’appareil de levage à charge suspendue peut être
endommagée ou dépasser la limite d’élasticité, à condition que la sécurité du public, des opérateurs et des
travailleurs soit préservée.
La présente norme traite uniquement de l’état limite de service.
NOTE L’utilisation de l’état limite ultime (ELU) autorisant une déformation permanente de la charpente de l’appareil
de levage à charge suspendue après un tremblement de terre violent, sans effondrement de l’appareil ni relâchement de
la charge, ne relève pas du domaine d’application de l’édition actuelle de la présente norme. La vérification d’aptitude,
incluant des déformations plastiques peut être réalisée en se référant à l’ISO 10721.
2 Références normatives
Les documents de référence suivants sont indispensables pour l’application du présent document. Pour les
références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du
document de référence s’applique (y compris les éventuels amendements).
ISO 4306 toutes les parties, Appareils de levage à charge suspendue — Vocabulaire
ISO 8686 toutes les parties, Appareils de levage à charge suspendue — Principes de calcul des charges et
combinaisons de charges
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ISO/DIS 11031
ISO 20332; Appareils de levage à charge suspendue — Vérification d’aptitude de charpente en acier
3 Termes et définitions
Les principaux symboles utilisés dans la présente norme sont répertoriés dans le Tableau 1.
Tableau 1 — Principaux symboles
Symbole Description Référence
K
Coefficient sismique horizontal de calcul Diverses
H
K
Coefficient sismique vertical de calcul Diverses
v
A
Diverses
Accélération normalisée de base
bg
A
Accélération normalisée de surface du sol Diverses
sg
β Diverses
Coefficient d’amplification due au sol de surface
2
β
Coefficient de réponse en accélération Diverses
3
β de l’appareil de levage dont le taux d’amortissement est égal à 0,025 et est
3
*
Diverses
β
3
donné par la Figure 1
γ
Coefficient de risque Diverses
n
Coefficient de correction d’amortissement Diverses
η
Coefficient d’amplification de la réponse Diverses
δ
Diverses
ζ Taux d’amortissement
h Diverses
Hauteur de la base de montage de l’appareil de levage
Diverses
H Hauteur de la structure porteuse par rapport au sol
c Diverses
Facteur d’influence verticale
F Diverses
Effort sismique horizontal de calcul
H
F Diverses
Effort sismique vertical de calcul
V
F Diverses
Effet de la charge de levage
R
4 Notion de conception sismique
Il y a trois principaux (-ales) types/méthodes d’analyse de réponse sismique utilisé(e)s dans les démarches de
conception sismique :
la méthode du coefficient sismique modifié ;
la méthode du spectre de réponse maximale ;
la méthode de la réponse temporelle.
La méthode de coefficient sismique modifié calcule les charges sismiques appliquées comme les produits des
masses de l’appareil de levage par les coefficients sismiques quasi-statiques de calcul qui prennent en
compte les caractéristiques dynamiques de base de l’appareil de levage (incluant l’implantation géographique,
les fréquences propres et les caractéristiques d’amortissement).
La méthode du spectre de réponses maximales calcule les charges sismiques comme des accélérations de
réponse maximales, en utilisant des modes de vibration sélectionnés de charpentes d’appareil de levage.
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Dans la méthode de la réponse temporelle, la réponse sismique est évaluée en résolvant les équations de
mouvements par l’intégration numérique pas-à-pas dans le temps, pour la charpente de l’appareil de levage
et pour l’excitation sismique du sol considérées.
La « méthode du coefficient sismique modifié » est la base de la présente norme, car elle est simple à
appliquer et adaptée à la plupart des applications. Toutefois, la méthode du spectre de réponse maximale et
la méthode de la réponse temporelle sont disponibles comme méthodes alternatives de conception sismique,
lorsque des données de réponse sismique de la charpente de l’appareil de levage plus précises sont
requises (voir Annexe D).
La méthode du coefficient sismique modifié est appliquée selon un processus itératif, décrit dans le
logigramme de l’Annexe A.
5 Conception sismique selon la méthode du coefficient sismique modifié
5.1 Généralités
Avec cette méthode, les efforts et accélérations sismiques agissant sur l’appareil de levage sont calculés à
l’aide du coefficient sismique horizontal K et du coefficient sismique vertical K . Pour les charpentes
H V
exposées à des risques accrus, le facteur γ peut être utilisé, conformément à l’Annexe C et au
n
paragraphe 5.5.
5.2 Détermination du coefficient sismique horizontal de calcul K
H
5.2.1 Généralités
Le coefficient sismique horizontal de calcul K doit être déterminé de la manière suivante dans
H
deux directions orthogonales :
K = A × β × β × 0,4 = A × β × 0,4 (1)
H bg 2 3 sg 3
où
K est le coefficient sismique horizontal de calcul ;
H
A est l’accélération normalisée de base (voir 5.2.2) ;
bg
A est l’accélération normalisée de surface du sol ;
sg
β est le coefficient d’amplification due au sol de surface (voir 5.2.3) ;
2
β est le coefficient de réponse en accélération pour la direction considérée (voir 5.2.4).
3
5.2.2 Détermination de l’accélération normalisée de base A
bg
L’accélération normalisée de base A est calculée à l’aide de l’Équation 2 ci-dessous :
bg
A = a g (2)
bg g
où
2
a est l’accélération de base horizontale maximale, en [m/s ] (voir Annexe F) ;
g
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2
est l’accélération due à la pesanteur, en [m/s ].
g
Voir l’Annexe B pour les valeurs suggérées de A et A pour différents pays, tenant compte de l’historique
bg sg
des dommages sismiques régionaux et de l’activité sismique régionale.
Les accélérations A et A doivent être basées sur une période de retour de 475 ans (voir B.1).
bg sg
5.2.3 Détermination du coefficient d’amplification due au sol de surface β
2
Le coefficient d’amplification due au sol de surface reflète l’influence du sol de surface sur l’intensité et les
fréquences de l’excitation sismique. Le principe de cette influence est illustré à la Figure 1.
Légende
1 effet sismique en surface (sismogrammes enregistrés)
2 roche
3 sol meuble à moyennement dur
4 sol dur (tassé)
5 accélérations normalisées de base A (en fonction du substratum rocheux sismique)
bg
Figure 1 — Illustration du coefficient d’amplification due au sol de surface ( β )
2
β doit être déterminé en fonction de la catégorie du sous-sol de la région, comme indiqué au Tableau 2.
2
Les catégories de surface du sol sont exprimées en fonction de v , , qui est la vitesse moyenne des ondes de
s 30
cisaillement dans la couche supérieure de 30 mètres du sol.
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Tableau 2 — Détermination et valeurs de β
2
Vitesse des
ondes de
Catégorie Sous-sol β
2
cisaillement
v [m/s]
s,30
Catégorie 0 Roche v > 800 1,0
s,30
Catégorie 1 Sol dur composé de couches de sols 360 < v ≤ 800 1,4
s,30
sablonneux durs où les types de sol situés
au-dessus de la roche sont constitués de
dépôts stables de sable, gravier ou d’argile
raide
Catégorie 2 Sol moyen, n’appartenant pas aux 180 < v ≤ 360 1,6
s,30
catégories 1 et 3
Catégorie 3 Sol meuble à moyennement dur composé de v ≤ 180 2,0
s,30
couches de sols alluviaux ou de couches de
sols boueux caractérisés par environ 30 m
ou plus de dépôt meuble à moyennement
dur
5.2.4 Détermination du coefficient de réponse en accélération β
3
5.2.4.1 Généralités
La valeur du coefficient de réponse en accélération β doit être déterminée comme une fonction :
3
des caractéristiques dynamiques de la structure porteuse de l’appareil de levage, le cas échéant ;
de la fréquence ou de la période propre du mode le plus significatif dans la direction considérée ;
du taux d’amortissement du mode ;
de la catégorie de sol à l’emplacement de l’appareil de levage.
La période ou la fréquence propre peut être déterminée par mesure expérimentale ou en utilisant des
techniques de calcul numérique reconnues.
doit être défini de la manière suivante :
β
3
∗
β = β ×η ×δ (3)
3 3
où
∗
β est le coefficient de réponse en accélération de base (voir 5.2.4.2) ;
3
η est le coefficient de correction d’amortissement (voir 5.2.4.3) ;
δ est le coefficient d’amplification de la réponse (voir 5.2.4.4).
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∗
5.2.4.2 Coefficient de réponse en accélération de base β
3
∗
β est le coefficient de réponse en accélération de la charpente d’un appareil de levage avec un taux
3
d’amortissement de 0,025.
Ses valeurs dépendant de la période ou de la fréquence propre de l’appareil de levage et de la catégorie de
sol sont indiquées à la Figure 2.
Légende
X1 Axe pour la période propre T [en s] de la charpente de l’appareil de levage
c
X2 Axe pour la fréquence propre f [en Hz] de la charpente de l’appareil de levage
c
*
Y Axe du coefficient de réponse en accélération β
3
1 Catégories 0 et 1
2 Catégorie 2
3 Catégorie 3
∗
Figure 2 — Définition de β en fonction de la catégorie de sous-sol
3
5.2.4.3 Coefficient de correction d’amortissement η
Le coefficient de correction d’amortissement η utilisé dans l’Équation (3) doit être défini en fonction du taux
d’amortissement de la charpente de l’appareil de levage, comme indiqué au Tableau 3.
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Tableau 3 — Coefficient de correction d’amortissement η
Taux
d’amortissement 0,01 0,015 0,02 0,025 0,03 0,05 0,1
ζ
η
1,24 1,15 1,06 1,0 0,94 0,80 0,62
Les valeurs types du taux d’amortissement sont ζ = 0,025 pour les constructions soudées, ζ = 0,04 pour les
constructions boulonnées et ζ = 0,03 pour les constructions d’appareils de levage mixtes, soudées et
boulonnées, toutes restant largement dans le domaine d’élasticité. Pour les mêmes types de constructions
soumises à des contraintes proches de la limite d’élasticité, des valeurs supérieures peuvent être utilisées.
Les taux d’amortissement peuvent également être obtenus par l’intermédiaire de méthodes acceptées telles
que :
des mesures ;
une évaluation de l’hystérésis de la courbe effort/déplacement pour les éléments de charpente à
comportement non linéaire et/ou des frottements secs au niveau des assemblages.
5.2.4.4 Coefficient d’amplification de la réponse δ
Pour les appareils de levage opérant sur rails posés directement sur le sol, δ doit être défini comme une
unité, δ = 1.
Pour les appareils de levage opérant sur des rails placés sur une structure porteuse (par exemple, bâtiment,
digue, jetée, voir Figure 2), la valeur de δ peut être déterminée à partir de l’Équation (4) simplifiée, ou de
manière plus précise conformément au mode opératoire décrit à l’Annexe E.
h h
3 1 + 3 1 +
H H
δ = − 0,5 = − 0,5 (4)
2 2
f T
s c
1 + 1 − 1 + 1 −
f T
c s
où
H est la hauteur des structures porteuses par rapport à la surface du sol, comme représenté à la Figure 3 ;
h est la hauteur de la base de montage de l’appareil de levage, comme représenté à la Figure 3 ;
f est la fréquence propre de l’appareil de levage ;
c
f est la fréquence propre de la structure porteuse (sans l’appareil de levage) ;
s
T est la période propre de l’appareil de levage ;
c
T est la période propre de la structure porteuse (sans l’appareil de levage).
s
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Légende
1 structure porteuse
2 appareil de levage
hauteur des structures porteuses par rapport à la surface du sol
H
hauteur de la base de montage de l’appareil de levage
h
Figure 3 — Amplification de la réponse d’un appareil de levage sur structure porteuse
5.3 Détermination du coefficient sismique vertical de calcul K
v
Le coefficient sismique vertical de calcul K doit être déterminé à l’aide de l’Équation (5) :
v
(5)
K = c × K
v H
où
c est le facteur d’influence verticale qui doit être généralement fixé à 0,5 (voir l’Annexe G pour de plus
amples informations).
5.4 Détermination des charges sismiques de calcul
5.4.1 Calcul des accélérations sismiques
L’accélération sismique horizontale maximale a et l’accélération sismique verticale maximale a doivent
H v
être calculées à partir du coefficient sismique horizontal K et du coefficient sismique vertical K , à l’aide
H V
des Équations (6) et (7) :
a = K × g (6)
H H
a = K × g
v V
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5.4.2 Calcul des efforts sismiques
et la charge sismique verticale de calcul de chaque
La charge sismique horizontale de calcul F F
v
H
composant ou élément de la charpente de l’appareil de levage doivent être calculées à l’aide des
Équations (8) et (9) :
ou (8)
F = K ×W F = a × m
H H c
H H c
F = K ×W ou F = a × m (9)
v v c v v c
où
W est le poids propre de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage ;
c
m est la masse de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage.
c
Les effets sismiques sur la ou les charges levées dans les directions verticale et horizontale sont donnés
par F et F . Seul l’effet vertical doit être pris en compte s’il peut être prouvé que l’effet horizontal est
RV RH
négligeable.
F = K × χ ×W ou F = a × χ × m (9.1)
RH H R RH H R
F = K × χ ×W ou F = a × χ × m (9.2)
RV V R
RV V R
où
χ est le coefficient de l’effet sismique de la charge suspendue ;
est la charge nominale maximale de l’appareil de levage ;
W
R
est la masse de la charge nominale maximale.
m
R
NOTE Il convient que la sélection de la valeur de χ dans la plage de 0,0 à 1,0 soit conforme aux classes
d’appareils de levage selon l’ISO 4301-1. À titre indicatif, pour la classe d’appareils de levage A1, une valeur de χ = 0,0
peut être sélectionnée, et pour la classe d’appareils de levage A8, une valeur de χ = 1,0 peut être sélectionnée.
5.5 Combinaisons de charges
5.5.1 Généralités
Deux méthodes de combinaison des effets des charges sismiques à d’autres charges sont décrites en 5.5.2
et 5.5.3, la méthode définie en 5.5.2 étant la méthode privilégiée dans la présente norme.
5.5.2 Combinaisons de charges selon l’ISO 8686-1
Les actions de charges sismiques de calcul doivent être combinées à d’autres actions de charge selon les
principes de l’ISO 8686-1 et à l’aide du Tableau 4 ci-dessous.
Si un facteur de risque γ (voir Annexe C) est sélectionné, alors tous les paramètres indiqués dans le
n
tableau doivent être multipliés par γ :
n
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Tableau 4 — Combinaisons des charges sismiques
Charges Combinaison de charges C
Masse de l’appareil de levage 1 1
Masse de la charge brute 1 1
Excitation des assises de
l’appareil de levage en direction
1 0,4
verticale : F , F
v RV
Excitation des assises de
l’appareil de levage en direction
0,4 1
horizontale : F , F
H
RH
5.5.3 Combinaison de charges selon la méthode SRSS
La contrainte
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.