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

Status
Published
Publication Date
20-Jul-2016
Current Stage
9093 - International Standard confirmed
Completion Date
12-Apr-2022
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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
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11031:2016(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2016, Published in Switzerland

All rights reserved. Unless otherwise specified, no part of this publication may be reproduced or utilized otherwise in any form

or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior

written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

the requester.
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Fax +41 22 749 09 47
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www.iso.org
ii © ISO 2016 – All rights reserved
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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

© ISO 2016 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
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.
iv © ISO 2016 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
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.
© ISO 2016 – All rights reserved v
---------------------- Page: 5 ----------------------
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
K Vertical seismic design coefficient
A Normalized basic acceleration
A Normalized acceleration at ground surface
f Conversion factor
con
f Recurrence factor
rec
β Subsoil amplification factor
β Acceleration response factor
© ISO 2016 – All rights reserved 1
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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

Figure 2
γ Risk factor
η Damping correction factor
δ Response amplification factor
ζ Damping ratio
c Vertical influence factor
F Horizontal seismic design force
F Vertical seismic design force
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;
2 © ISO 2016 – All rights reserved
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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
5.2.1 General
The horizontal seismic design coefficient, K , shall be calculated as follows:
KA=×ββ×× fA=×β × f (1)
Hcbg 23 on sg 3 con
where
A is the normalized basic acceleration (see 5.2.2);
A is the normalized surface ground acceleration
β is the subsoil amplification factor (see 5.2.3);
β is the acceleration response factor (see 5.2.4);

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
Normalized basic acceleration, A , is calculated from the Formula (2):
Aa=×/ gf (2)
bg grec
where
© ISO 2016 – All rights reserved 3
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ISO 11031:2016(E)
a is the maximum horizontal basic acceleration, in m/s (see Annex B);
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

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.

Key

1 seismic effects on the surface (recorded seismograms), represented by A in this International Standard

2 rock
3 soft to medium stiff ground
4 stiff ground
5 normalized basic accelerations A (related to seismic bedrock)
Figure 1 — Illustration of the subsoil amplification factor (β )

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

location.
4 © ISO 2016 – All rights reserved
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ISO 11031:2016(E)
Table 2 — Determination and values of β
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
5.2.4.1 General

The value of acceleration response factor, β , shall be determined as a function of

— 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
ββ=×ηδ× (3)
where
is the basic acceleration response factor (see 5.2.4.2);
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

β is the basic acceleration response factor of a crane structure with damping ratio of 0,025.

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.
© ISO 2016 – All rights reserved 5
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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
X2 axis for natural frequency f [Hz] of crane structure
axis for the basic acceleration response factor, β

Figure 2 — Factor β (as a function of crane natural period or frequency and of subsoil

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;
6 © ISO 2016 – All rights reserved
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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):
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
 
18, ⋅⋅TT
T /T ≤ 0,9  
C P
11−−θ ⋅
 22 
TT+08, 1⋅
 cP 
0,9 < T /T ≤ 1,1
C P
 
22, ⋅⋅TT
T /T > 1,1  
C P
11−−θ ⋅
 22 
TT+12, 1⋅
 cP 
where
is the mass ratio of the crane structure and the supporting structure;
θ =
mm+
m is the mass of the crane as a whole;
m is the mass of the supporting structure as a whole;
is the largest natural period of the crane structure with the supporting
structure assumed rigid;
is the largest natural period of the supporting structure with the crane
structure assumed rigid.
© ISO 2016 – All rights reserved 7
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ISO 11031:2016(E)
Figure 3 — Factor κ
5.3 Calculation of vertical seismic design coefficient, K
The vertical seismic design coefficient, K , shall be calculated by Formula (5):
Kc=×K (5)
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.

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
---------------------- Page: 13 ----------------------
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;
m is the mass of a member or component of the crane under consideration.

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;
m is the mass of the gross load.

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.
© ISO 2016 – All rights reserved 9
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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

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.

THIS DOCUMENT IS A DRAFT CIRCULATED FOR COMMENT AND APPROVAL. IT IS THEREFORE SUBJECT TO CHANGE AND MAY NOT BE

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.
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This ISO document is a Draft International Standard and is copyright-protected by ISO. Except as permitted

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reproduced, stored in a retrieval system or transmitted in any form or by any means, electronic,

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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

5.2.1 General ................................................................................................................................................... 3

5.2.2 Determination of Normalised Basic Acceleration A ...................................................................... 3

5.2.3 Determination of Soil Surface Amplification Factor β .................................................................... 3

5.2.4 Determination of Acceleration Response Factor β ........................................................................ 5

5.3 Calculation of vertical seismic design coefficient K ...................................................................... 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

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

Annex D (informative) Alternative Seismic Design Methods ........................................................................ 32

D.1 General ................................................................................................................................................. 32

D.2 Response Spectrum Analysis Method .............................................................................................. 32

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ISO/DIS 11031

D.2.1 General ................................................................................................................................................. 32

D.2.2 Calculation of horizontal seismic design coefficient K .............................................................. 34

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

iv © ISO 2012 – All rights reserved
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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.
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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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ISO/DIS 11031
Table 1 — Main symbols
Symbol Description Reference
K Various
Horizontal seismic design coefficient
Vertical seismic design coefficient Various
Normalised basic acceleration Various
Normalised surface ground acceleration Various
β Various
Soil surface amplification factor
β Various
Acceleration response factor
β of the crane whose damping ratio is 0,025 and given by Figure 1
Various
γ Various
Risk factor
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
Horizontal seismic design force Various
Vertical seismic design force Various
Lifting load effect Various
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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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
5.2.1 General

The horizontal seismic design coefficient K shall be calculated in two orthogonal directions as follows

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
A is the normalised basic acceleration (See 5.2.2.)
A is the normalised surface ground acceleration
β is the soil surface amplification factor (see 5.2.3)

β is the acceleration response factor for the direction under consideration (see 5.2.4)

5.2.2 Determination of Normalised Basic Acceleration A
Normalised basic acceleration A is calculated from the equation 2 below
A = a g (2)
bg g
where
a is the maximum horizontal basic acceleration, in [m/s ] (see Annex F)
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

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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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)
Figure 1 — Illustration of the amplification factor due to the soil ( β )

β shall be determined according to regional subsoil categorization as shown in Table 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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ISO/DIS 11031
Table 2 — Determination and Values of β
Shear-wave
velocity β
Category Subsoil
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
5.2.4.1 General

The value of acceleration response factor β shall be determined as a function of:

 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
β = β ×η ×δ (3)
3 3
where
β is the basic acceleration response factor (see 5.2.4.2)
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

β is the acceleration response factor of a crane structure with damping ratio of 0,025.

Its values as a function of crane natural period or frequency and soil category are shown in Figure 2.

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ISO/DIS 11031
Key
X1 Axis for natural period T [s ] of crane structure
X2 Axis for natural frequency f [Hz] of crane structure
Y Axis for the acceleration response factor β
1 Categories 0 and 1
2 Category 2
3 Category 3
Figure 2 — Definition of β by subsoil categorization
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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
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
   
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
   
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
f is the natural frequency of the supporting structure (without the crane)
T is the natural period of the crane
T is the natural period of the supporting structure (without the crane)
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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
Vertical seismic design coefficient K shall be calculated by equation (5)
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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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
m is the mass of each constituent member or component of the crane

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
m is the mass of the maximum rated load

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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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

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

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
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

where the crane is located. The Normalised surface accelerations A takes into account the characteristics of the

subsoil.

The Normalised basic accelerations A given in tables for different countries are based on a return period of 475 years.

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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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
Zone
(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
Zone
(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
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 11031:2016(F)
DOCUMENT PROTÉGÉ PAR COPYRIGHT
© ISO 2016, Publié en Suisse

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ii © ISO 2016 – Tous droits réservés
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ISO 11031:2016(F)
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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ISO 11031:2016(F)
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

engagement.

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.
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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
K Coefficient sismique vertical de calcul
A Accélération normalisée de base
A Accélération normalisée à la surface du sol
f Facteur de conversion
con
f Facteur de récurrence
rec
β Coefficient de l’amplification due au sous-sol
β Coefficient de réponse en accélération

Coefficient de base de réponse en accélération β de l’appareil de levage à charge suspendue dont

le taux d’amortissement est de 0,025 et qui est donné par la Figure 2
γ Coefficient de risque
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
F Effort sismique vertical de calcul
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

à un, conformément à l’Article 7.
5.2 Détermination du coefficient sismique horizontal de calcul, K
5.2.1 Généralités

Le coefficient sismique horizontal de calcul K doit être calculé de la manière suivante:

KA=×ββ×× fA=×β × f (1)
Hcbg 23 on sg 3 con
A est l’accélération normalisée de base (voir 5.2.2);
A est l’accélération normalisée à la surface du sol;
β est le coefficient de l’amplification due au sous-sol (voir 5.2.3);
β est le coefficient de réponse en accélération (voir 5.2.4).

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

L’accélération normalisée de base A est calculée à l’aide de la Formule (2) ci-dessous:

Aa=×/ gf (2)
bg grec
a est l’accélération de base horizontale maximale, en m/s (voir Annexe B);
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

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)
Légende

1 effet sismique en surface (sismogrammes enregistrés), représenté par A dans la présente Norme internationale

2 roche
3 sol meuble à moyennement dur
4 sol dur (tassé)

5 accélérations normalisées de base A (en fonction du substratum rocheux sismique)

Figure 1 — Illustration du coefficient de l’amplification due au sous-sol (β )

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

l’appareil de levage.
Tableau 2 — Détermination et valeurs de β
Vitesse des ondes de
cisaillement
Catégorie Sous-sol β
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
5.2.4.1 Généralités

La valeur du coefficient de réponse en accélération, β , doit être déterminée comme une fonction:

— 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:
ββ=×ηδ× (3)
est le coefficient de base de réponse en accélération (voir 5.2.4.2);
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

β est le coefficient de base de réponse en accélération de la charpente d’un appareil de levage avec un

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
X2 axe pour la fréquence propre f [Hz] de la charpente de l’appareil de levage
axe du coefficient de base de réponse en accélération β

Figure 2 — Facteur β (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)
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):

1+ λ
δ =⋅07, 1 ≥1 (4)
22 2
λλ+−1 ⋅κ
( )

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
 
18, ⋅⋅TT
T /T ≤ 0,9
 
C P
11−−θ ⋅
 22 
TT+08, 1⋅
 
0,9 < T /T ≤ 1,1
C P
 
22, ⋅⋅TT
T /T > 1,1
 
C P
11−−θ ⋅
 22 
TT+12, 1⋅
 
est le rapport des masses entre la charpente de l’appareil de levage et la
θ =
structure porteuse;
mm+
est la masse de l’ensemble de l’appareil de levage;
est la masse de l’ensemble de la structure porteuse;
est la période propre maximale de la charpente de l’appareil de levage,
avec la structure porteuse supposée rigide;
est la période propre maximale de la structure porteuse, avec la char-
pente de l’appareil de levage supposée rigide.
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ISO 11031:2016(F)
Figure 3 — Coefficient κ
5.3 Détermination du coefficient sismique vertical de calcul K

Le coefficient sismique vertical de calcul K doit être déterminé à l’aide de la Formule (5):

Kc=×K (5)
V H

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.

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

vertical K , à l’aide des Formules (6) et (7):
aK=× g (6)
H H
aK=× g (7)
V V
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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

W est le poids propre de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage considéré;

m est la masse de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage considéré.

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
χ est le coefficient de l’effet sismique sur une charge suspendue;
W est la charge brute de l’appareil de levage;
m est la masse de la charge brute.
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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secretariat. ISO Central Secretariat work of editing and text composition will be undertaken at

publication stage.

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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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IN ADDITION TO THEIR EVALUATION AS BEING ACCEPTABLE FOR INDUSTRIAL, TECHNOLOGICAL, COMMERCIAL AND USER PURPOSES, DRAFT

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WHICH REFERENCE MAY BE MADE IN NATIONAL REGULATIONS.

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ISO/DIS 11031
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

5.2.1 Généralités ............................................................................................................................................. 3

5.2.2 Détermination de l’accélération normalisée de base A ................................................................. 3

5.2.3 Détermination du coefficient d’amplification due au sol de surface β ......................................... 4

5.2.4 Détermination du coefficient de réponse en accélération β .......................................................... 5

5.3 Détermination du coefficient sismique vertical de calcul K .......................................................... 8

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

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

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
Coefficient sismique horizontal de calcul Diverses
Coefficient sismique vertical de calcul Diverses
Diverses
Accélération normalisée de base
Accélération normalisée de surface du sol Diverses
β Diverses
Coefficient d’amplification due au sol de surface
Coefficient de réponse en accélération Diverses
β de l’appareil de levage dont le taux d’amortissement est égal à 0,025 et est
Diverses
donné par la Figure 1
Coefficient de risque Diverses
Coefficient de correction d’amortissement Diverses
Coefficient d’amplification de la réponse Diverses
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
F Diverses
Effort sismique vertical de calcul
F Diverses
Effet de la charge de levage
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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ISO/DIS 11031

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

paragraphe 5.5.
5.2 Détermination du coefficient sismique horizontal de calcul K
5.2.1 Généralités

Le coefficient sismique horizontal de calcul K doit être déterminé de la manière suivante dans

deux directions orthogonales :
K = A × β × β × 0,4 = A × β × 0,4 (1)
H bg 2 3 sg 3
K est le coefficient sismique horizontal de calcul ;
A est l’accélération normalisée de base (voir 5.2.2) ;
A est l’accélération normalisée de surface du sol ;
β est le coefficient d’amplification due au sol de surface (voir 5.2.3) ;

β est le coefficient de réponse en accélération pour la direction considérée (voir 5.2.4).

5.2.2 Détermination de l’accélération normalisée de base A

L’accélération normalisée de base A est calculée à l’aide de l’Équation 2 ci-dessous :

A = a g (2)
bg g
a est l’accélération de base horizontale maximale, en [m/s ] (voir Annexe F) ;
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ISO/DIS 11031
est l’accélération due à la pesanteur, en [m/s ].

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

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)

Figure 1 — Illustration du coefficient d’amplification due au sol de surface ( β )

β doit être déterminé en fonction de la catégorie du sous-sol de la région, comme indiqué au Tableau 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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ISO/DIS 11031
Tableau 2 — Détermination et valeurs de β
Vitesse des
ondes de
Catégorie Sous-sol β
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
5.2.4.1 Généralités

La valeur du coefficient de réponse en accélération β doit être déterminée comme une fonction :

 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 = β ×η ×δ (3)
3 3
β est le coefficient de réponse en accélération de base (voir 5.2.4.2) ;
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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ISO/DIS 11031
5.2.4.2 Coefficient de réponse en accélération de base β

β est le coefficient de réponse en accélération de la charpente d’un appareil de levage avec un 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

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

X2 Axe pour la fréquence propre f [en Hz] de la charpente de l’appareil de levage

Y Axe du coefficient de réponse en accélération β
1 Catégories 0 et 1
2 Catégorie 2
3 Catégorie 3
Figure 2 — Définition de β en fonction de la catégorie de sous-sol
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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ISO/DIS 11031
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
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 

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 ;
f est la fréquence propre de la structure porteuse (sans l’appareil de levage) ;
T est la période propre de l’appareil de levage ;
T est la période propre de la structure porteuse (sans l’appareil de levage).
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ISO/DIS 11031
Légende
1 structure porteuse
2 appareil de levage
hauteur des structures porteuses par rapport à la surface du sol
hauteur de la base de montage de l’appareil de levage

Figure 3 — Amplification de la réponse d’un appareil de levage sur structure porteuse

5.3 Détermination du coefficient sismique vertical de calcul K

Le coefficient sismique vertical de calcul K doit être déterminé à l’aide de l’Équation (5) :

(5)
K = c × K
v H

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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ISO/DIS 11031
5.4.2 Calcul des efforts sismiques
et la charge sismique verticale de calcul de chaque
La charge sismique horizontale de calcul F F

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

W est le poids propre de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage ;

m est la masse de chaque élément ou composant constitutif de l’appareil de levage.

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
χ est le coefficient de l’effet sismique de la charge suspendue ;
est la charge nominale maximale de l’appareil de levage ;
est la masse de la charge nominale maximale.

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

tableau doivent être multipliés par γ :
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ISO/DIS 11031
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
5.5.3 Combinaison de charges selon la méthode SRSS
La contrainte
...

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