Protection contre la chute de pieu

Qu’est-ce qu’une chute de pieu ?

En mer, les pieux sont placés dans un cadre de guidage ou un dispositif de maintien, puis enfoncés dans le fond marin au moyen d’un marteau hydraulique. Entre les coups, le frottement le long du fût et la résistance à la pointe maintiennent le pieu en place. Lorsque la pointe passe d’une couche plus résistante à une couche faible, par exemple du sable meuble ou de l’argile molle sous une couche plus ferme, cette résistance peut devenir inférieure au poids du pieu et du marteau. Le pieu accélère alors sous leur poids. Les sondages de sol et les essais de pénétration au cône (CPT) permettent de repérer ces couches ; une analyse de chute de pieu compare la résistance du sol à ce poids et détermine la distance et la vitesse possibles de la chute.

La course de l’amortisseur ne correspond pas à la distance parcourue par le pieu dans le sol. C’est le déplacement entre les deux points de fixation de l’amortisseur pendant l’arrêt du pieu et du marteau ; le modèle de levage relie ces deux distances.

Effets sur la grue

Une masse en mouvement m à la vitesse v possède une énergie de \tfrac{1}{2} m v^2. Le pieu et le marteau de 1,500 t étudiés, à 5.0 m/s, possèdent 18.75 MJ. Si leur mouvement est arrêté par une liaison de raideur k qui se tend à cette vitesse, l’énergie cinétique et le travail du poids pendant l’allongement de la liaison contribuent à cet allongement. L’effort de pointe est alors

où W est le poids de la masse en mouvement. Plus le chemin de charge est raide, plus le pic est élevé. Le treuil de la grue, son câble et les apparaux de levage sont raides : un arrêt par liaison rigide impose donc à la grue un effort bien supérieur à la charge statique (avec un facteur d’amplification dynamique élevé, noté DAF). Le câble peut ensuite se détendre complètement et se retendre brusquement pendant l’amortissement des oscillations de la charge. Un amortisseur introduit un élément souple dans ce chemin de charge : son ressort à gaz augmente progressivement l’effort jusqu’à une valeur de consigne, puis sa valve le maintient près de cette valeur pendant l’arrêt de la charge.

Avec et sans POLARIS

Dans notre étude comparative CONSTELLATION CS-2026-005, un pieu de 1,200 t et un marteau de 300 t bridé sur sa tête se déplacent à 5.0 m/s, alors que le câble porte déjà leur poids. Le modèle est exécuté deux fois avec le même jeu de paramètres : une fois avec une liaison rigide, puis avec un POLARIS de 2,000 t offrant une course de 6.0 m.

Le résultat avec amortisseur a été vérifié à l’aide d’un solveur indépendant. Comme le câble porte déjà le poids, la formule analytique pour ce cas est W + v\sqrt{k m}; ; elle encadre le pic de la liaison rigide entre 34.2 MN, en tenant compte de la déformation de la grue, et 44.8 MN, avec une grue rigide. Avec des élingues initialement détendues, le pic serait plus élevé ; si le marteau reposait librement sur le pieu, le câble ne retiendrait que le marteau. Lire l’étude sur l’arrêt d’une chute de pieu →

Dimensionner l’amortisseur

Trois exigences doivent être satisfaites simultanément pour la pire chute crédible, plutôt que pour la chute attendue :

1. Énergie. L’énergie cinétique de la masse en mouvement au moment où le câble la retient : 18.75 MJ dans l’étude. Le poids continue de tirer pendant la course de l’amortisseur ; seule la force supérieure à ce poids ralentit la charge.
2. Effort de pointe. L’effort que peuvent supporter la grue, le câble, les apparaux de levage et le marteau. La consigne de la valve se situe entre le poids et cette limite : dans l’étude, 18.0 MN, entre 14.7 MN et la SWL de 24.5 MN de la grue.
3. Course. Le déplacement nécessaire pour que l’effort au-delà du poids absorbe l’énergie cinétique, avec une marge en fin de course. Un amortisseur qui arrive en butée ne protège plus la grue.

Sur les 4.98 m utilisés dans l’étude, l’amortisseur a absorbé les 18.75 MJ d’énergie cinétique, auxquels s’ajoutent environ 73 MJ de travail du poids. Notre article sur l’amortissement des chocs sur les grues donne une première estimation de la course à partir de l’énergie et de l’effort maximal admissible : au DAF de 1.43 atteint dans l’étude, cette estimation donne 5.85 m, tandis que l’unité de 6.0 m a utilisé 4.98 m. Un modèle temporel de la grue, des apparaux de levage, de l’amortisseur, du marteau et du pieu confirme ensuite l’effort de pointe.

Anticiper le risque de chute de pieu

Le risque de chute de pieu est évalué lors de la planification du battage. Une analyse fondée sur les données de sol définit les scénarios de chute crédibles, chacun avec une distance et une vitesse de chute. Les masses du pieu et du marteau permettent d’en déduire l’énergie, tandis que le tableau de charge de la grue fixe l’effort admissible. Ces éléments déterminent l’énergie, l’effort et la course requis pour l’amortisseur.

Les apparaux de levage comptent autant que l’amortisseur. POLARIS est suspendu dans l’axe du mouflage de la grue, avec des élingues souples reliant l’extrémité de sa tige au marteau. Pendant le battage, elles pendent sans tension et la tige reste rentrée. Le poids et les coups du marteau ne traversent donc jamais l’amortisseur, dont toute la course reste disponible si le pieu chute.

Le poids propre de l’amortisseur compte également dans le tableau de charge de la grue pour ce levage. POLARIS réunit un petit volume de gaz et des valves conçues par CFD dans un seul vérin hydraulique, sans accumulateurs externes ni valves à pointeau. Il reste ainsi léger au regard de sa capacité : de 75 à 4,000 t, avec une course de 1.0 à 8.0 m.