Brève Histoire des Câbles d’Ascenseurs

Elevator rope

L’humble corde de levage occupe une place unique dans l’histoire du transport vertical. Une simple corde de chanvre se trouve au centre de l’une des histoires d’ascenseur les plus connues – la démonstration par Elisha Graves Otis de son dispositif de sécurité amélioré au Crystal Palace de 1854 à New York.

Actuellement, une « corde » sophistiquée en nanotubes de carbone est la principale innovation qui a conduit au développement conceptuel (et peut-être même littéral) de l' »ascenseur spatial » proposé. Cependant, le câble métallique reste le moyen de suspension le plus ancien de l’histoire des ascenseurs. Il a fait l’objet de nombreux articles au XIXe siècle qui mettaient en doute sa sécurité, et a été présenté dans d’innombrables livres, films et programmes télévisés contemporains qui prédisent une catastrophe en cas de défaillance. Aujourd’hui, nous nous penchons sur l’introduction des câbles d’ascenseurs au XIXe siècle et sur leur développement au XXe siècle.

L’invention du câble métallique a plus ou moins été parallèle à celle de l’ascenseur de passagers et, dans les années 1870, le câble métallique était devenu le câble de choix pour l’utilisation des ascenseurs. Comme ils étaient nouveaux, l’ascenseur et le câble d’acier étaient tous deux confrontés à des défis similaires en matière de sécurité. Le plus ancien câble de levage en chanvre avait une longue histoire d’utilisation, et ses forces et faiblesses étaient bien connues. Cependant, un câble en fil de fer était une toute autre affaire. Cette différence a été efficacement résumée dans le numéro du 22 juin 1878 de l’American Architect and Building News, qui comprenait un bref article sur les câbles d’ascenseur. L’article exprimait la principale préoccupation dans sa première phrase :

« L’introduction soudaine dans nos grandes villes d’ascenseurs, dont la plupart sont suspendus par des câbles métalliques, a conduit les gens à se demander ce qui se passera lorsqu’ils auront subi une année d’usure, et pourquoi il ne devrait pas y avoir, après un certain temps, une rupture des câbles, et des accidents consécutifs dans tout le pays ».

La principale préoccupation portait sur l’endurance du câble métallique et sa réaction aux flexions constantes et répétées lorsqu’il passe autour des tambours d’enroulement et sur les poulies. L’une des hypothèses clés de l’article précité était que « tout le monde sait, au moins, que la flexion répétée affaiblit le fil, que ce soit par granulation ou par l’extension constante de ses fibres ». Le défi était que, malgré le fait de « savoir » que cette action se produisait, il n’y avait pas de moyen facile de juger quand un câble n’était plus sûr à l’usage.

L’auteur du SCI s’est également penché sur le remplacement des cordes, notant qu' »une attention particulière doit être accordée aux fixations ». La principale recommandation était de « reproduire soigneusement le joint tel qu’il a été fait à l’origine » par le fabricant de l’ascenseur. Une manille typique utilisée par Otis Elevator est décrite ci-dessous dans la figure 1.

Figure 1 : « Otis Elevator Co. Shackle », ICS Reference Library (1902).

Il est constitué d’une tige fendue, dont les deux branches A, A sont bombées et munies de nez aux extrémités. Un collier B chevauche les jambes et finit par s’appuyer sur les nez. La corde est amenée à travers le collier, pliée sur un dé à coudre C, et repassée à nouveau par le collier, après quoi l’extrémité libre est fixée par un enroulement de fil de fer. L’extrémité enveloppée des sections qui concernent les câbles d’ascenseur sert à rappeler que les différents systèmes d’ascenseur nécessitent différents types de câbles :

Chapitre 1 : Méthodes et installations standard pour l’essai des câbles métalliques
Chapitre 2 : Matériaux composant les câbles métalliques et leurs propriétés
Chapitre 3 : Types standard de construction de câbles métalliques
Chapitre 4 : Variété d’utilisations des câbles métalliques
Chapitre 5 : Théorie mécanique du câble métallique
Chapitre 6 : Conseils et suggestions pratiques
Chapitre 7 : Instructions pour la commande de câbles métalliques
Chapitre 8 : Applications typiques des câbles métalliques dans la pratique

« Lorsque vous commandez une corde pour ascenseur, indiquez si vous souhaitez un treuil, un contrepoids, une main, une valve ou une corde de sécurité, ainsi que si vous souhaitez une pose à droite ou à gauche. Les cordes utilisées à ces fins sont différentes et ne sont pas interchangeables ».

La diversité des câbles d’ascenseur se reflète dans la conception du câble de levage standard d’American Steel & Wire, qui est produit en six qualités ou résistances : fer, acier doux, acier coulé en creuset, acier coulé en creuset extra fort, acier de charrue et acier de charrue Monitor. Le câble en fer standard de l’entreprise était principalement conçu pour être utilisé sur des machines à tambour et était « utilisé pour le levage d’ascenseurs lorsque la résistance est suffisante » (figure 2). Il a également été décrit comme « presque universellement utilisé pour les câbles de contrepoids, sauf sur les ascenseurs à traction ». Leur câble de levage en acier doux pour ascenseur a été conçu « spécialement pour les ascenseurs à traction dans les grands bâtiments où, en raison du démarrage et de l’arrêt rapides habituels, un câble plus fort et plus léger est nécessaire ». Les câbles d’expédition ou de commande (également appelés câbles de timon ou câbles à main) différaient des câbles standard en ce qu’ils étaient composés de six torons de 42 fils chacun, qui étaient enroulés autour de sept noyaux de chanvre (figure 3).

wire rope figure 3 and 4

Figure 5 : « Ascenseur hydraulique à piston latéral », câble métallique américain :
Catalog & Handbook, American Steel & Wire (1913).

wire rope fig 5
Figure 5

En plus de fournir des informations détaillées sur une grande variété de câbles métalliques, le catalogue comprenait des schémas illustrant leur bonne application. Parmi ceux-ci, 17 dessins relatifs aux ascenseurs représentaient des ascenseurs hydrauliques à piston direct, latéral et horizontal, des ascenseurs électriques à engrenages et à traction, ainsi que des ascenseurs électriques et à vis sans fin entraînés par courroie. L’accent mis sur l’application des câbles métalliques fait de ces dessins une ressource unique. Deux versions d’ascenseurs à piston direct ont été représentées – une avec un câble d’expédition et une avec un contrôleur de cabine – et la présence de deux dessins d’élévation pour chaque système permet une compréhension approfondie de ces ascenseurs (figure 4). Le même niveau de détail a été fourni pour les ascenseurs hydrauliques à plongeur latéral (fabriqués par Otis) et les systèmes hydrauliques à plongeur horizontal (figures 5 et 6).

Figure 6 : « Ascenseur hydraulique horizontal », American Wire Rope : Catalog & Handbook, American Steel & Wire (1913)

Figure 5
Figure 6

Les plans des ascenseurs électriques sont particulièrement intéressants, car, en 1913, ils représentaient les systèmes les plus récents sur le marché. La machine électrique à tambour comportait un ensemble intéressant de poulies pour la cabine et de câbles de contrepoids, tandis que la machine à vis sans fin utilisait un tambour d’enroulement situé près du point central de l’arbre (figures 7 et 8). Le dessin de l’ascenseur à traction illustre bien sa simplicité inhérente et le potentiel de cette nouvelle conception (figure 9).

La variété des types d’ascenseurs illustrés dans le catalogue d’American Steel & Wire représentait la diversité des systèmes d’ascenseurs prévalant au début du XXe siècle, ainsi que l’importance des câbles métalliques pour leur fonctionnement. La deuxième partie de cet article suivra cette histoire tout au long des années 1930, qui englobe le développement continu de l’ascenseur à traction et la rédaction des premiers codes de sécurité pour les ascenseurs.

Figure 7 : « Electric Drum Machine », câble métallique américain :
Catalog & Handbook, American Steel & Wire (1913).

Figure 7

Figure 8 : « Ascenseur électrique à vis sans fin », American Wire Rope :
Catalog & Handbook, American Steel & Wire (1913).

figure 8

Figure 9 : « Traction Elevator », American Wire Rope : Catalog & Handbook, American Steel & Wire (1913).

Figure 9

L’article original peut être trouvé ici à Elevator World Inc. Elevator World Inc. 

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Le Câble Métallique : Un Pionnier de la Fabrication et du Transport

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La petite enfance

Andrew Smith Hallidie est né Andrew Smith, adoptant plus tard le nom Hallidie en l’honneur de son oncle, Sir Andrew Hallidie. Son lieu de naissance est cité à plusieurs reprises comme étant Londres au Royaume-Uni. Son père, Andrew Smith (un inventeur prolifique à part entière, responsable de l’invention du premier sommier à ressorts, d’une crampe de sol et détenteur d’un brevet précoce pour un câble métallique) était né à Fleming, Dumfrieshire, en Écosse, en 1798, et sa mère, Julia Johnstone Smith, était originaire de Lockerbie, Dumfriesshire.

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Andrew Smith Hallidie

Le jeune Smith a d’abord été apprenti dans un atelier d’usinage et un bureau de dessin. En 1852, il s’embarque avec son père pour la Californie, où le senior M. Smith s’intéresse à quelques mines d’or dans le comté de Mariposa. Ces mines se révélèrent décevantes, et il retourna en Angleterre en 1853. Andrew Smith Junior, cependant, resta en Californie et devint mineur d’or tout en travaillant comme forgeron, arpenteur et constructeur de ponts.

Inventions

En 1855, la jeune Hallidie a construit un pont suspendu en fil de fer et un aqueduc de 220 pieds de long au Horse Shoe Bar sur la fourchette moyenne de l’American River. En 1856, alors qu’elle travaillait à la construction d’un canal d’amenée dans une mine d’American Bar, l’actuelle Andrew Smith Hallidie fut consultée sur la rapidité de l’usure des cordes utilisées pour faire descendre les wagons de roche de la mine au moulin. Ces cordes s’usaient en 75 jours. Insatisfaite, Hallidie fabriqua pour le projet une corde composée de trois pièces épissurées d’un huitième de pouce d’épaisseur et de 1 200 pieds de long. Celles-ci ont duré deux ans, ce qui représente une amélioration considérable par rapport à la norme précédente de 75 jours.

Hallide a inventé le « Hallidie Ropeway », une forme de tramway aérien utilisé pour le transport de minerai et d’autres matériaux à travers les districts montagneux de l’ouest, qu’il a installé avec succès dans un certain nombre d’endroits, et a ensuite breveté. Après quelques années passées à dériver de camp en camp, à éviter de justesse les catastrophes naturelles et humaines, et à gérer brièvement un restaurant à Michigan Bluff dans le Mother Lode, il abandonne l’exploitation minière en 1857 et retourne à San Francisco. Sous le nom de A. S. Hallidie & Co, il commence à fabriquer des câbles métalliques dans un bâtiment de Mason Street et Chestnut Street, en utilisant les machines de l’American Bar.

En plus des tramways aériens, son câble a été utilisé pour construire des ponts suspendus à travers les ruisseaux et les rivières de toute la Californie du Nord. Il s’absente souvent de la ville pour ses projets de ponts jusqu’à ce qu’en 1865, il revienne à San Francisco et se consacre entièrement à la fabrication et au perfectionnement des câbles métalliques. La découverte des mines d’argent de Comstock Lode dans le Nevada a augmenté la demande de câbles d’acier.

La ville devient un centre industriel majeur pour les opérations minières dans les années 1860 et Hallidie prospère, devenant un entrepreneur de premier plan, citoyen américain, époux de Martha Elizabeth Woods, et en 1868 président du prestigieux Mechanic’s Institute.

Le « câble métallique sans fin » d’Hallidie, précurseur des téléphériques

C’est à peu près à cette époque qu’Hallidie a commencé à mettre en œuvre un projet de transport urbain qu’il envisageait depuis un certain temps, basé sur l’utilisation de câbles métalliques pour les tramways aériens. Il travailla à l’amélioration de la résistance à la traction et de la flexibilité de son câble pour développer un câble métallique « sans fin » qui pourrait être enroulé autour de grandes poulies, ce qui pourrait alors fournir une propulsion souterraine continue pour une voiture qui pourrait être attachée ou libéré à volonté du câble.

Endless Wire Rope PatentHallide a déposé un brevet
pour ce « câble métallique sans fin » et pendant des années, il a dominé la construction de tramways dans les mines de l’Ouest. Cependant, c’est la mise en œuvre de son « Endless Wire Ropeway » pour le déplacement des tramways à San Francisco qui lui a valu une renommée durable et une place dans les livres d’histoire.

Les récits diffèrent ici quant à l’implication exacte d’Hallidie dans la création du premier téléphérique de la Clay Street Hill Railway. Selon une version, il a pris en charge la promotion de la ligne lorsque le promoteur initial, Benjamin Brooks, n’a pas réussi à réunir les capitaux nécessaires.

Dans une autre version, Hallidie en est l’instigateur, inspiré par le désir de réduire les souffrances des chevaux qui tiraient les tramways de Jackson Street, de Kearny à Stockton Street.

Il y a également des doutes quant à la date exacte du premier passage du téléphérique. La franchise exigeait que la première course ait lieu au plus tard le 1er août 1873. Cependant, au moins une source rapporte que la course a eu lieu avec un jour de retard, le 2 août, mais que la ville a choisi de ne pas annuler la franchise. Selon certains témoignages, le premier gripman engagé par Hallidie a regardé la colline escarpée depuis Jones et a refusé de faire fonctionner la voiture. Hallidie a donc pris la relève et a fait rouler la voiture en bas de la colline et en haut sans aucun problème.

L’ingénieur nommé de la ligne de Clay Street était William Eppelsheimer. Étant donné l’expérience antérieure d’Hallidie en matière de câbles et de systèmes de transport de câbles, il semble probable qu’il ait contribué à la conception du système.

wire rope cable car

La ligne de la rue Clay a commencé son service régulier le 1er septembre 1873 et a été un succès financier. En outre, les brevets d’Hallidie sur la conception du téléphérique ont été strictement appliqués aux promoteurs de téléphériques du monde entier et ont fait de lui un homme riche.

A. S. Hallidie & Co. devient la California Wire Works en 1883 avec Hallidie comme président. En 1895, elle fut vendue à Washburn and Moen Co. les plus anciens fabricants de fil des États-Unis (fondés en 1831).

Hallidie meurt le 24 avril 1900 à l’âge de 65 ans d’une maladie cardiaque dans sa résidence de San Francisco, mais son nom est toujours vivant. À San Francisco, Hallidie Plaza (près de la plaque tournante du téléphérique de Powell et Market Street) et le Hallidie Building (un immeuble de bureaux dans le quartier financier de la ville) portent son nom.

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Câbles en Acier – Comment, où, Quoi et Pourquoi

steel wire rope

Le câble d’acier est constitué de plusieurs torons de fil métallique torsadés en hélice formant une « corde » composite, selon un schéma connu sous le nom de « corde posée ». Les câbles d’acier de plus grand diamètre sont constitués de plusieurs torons de ce type de câble, selon un schéma appelé « câble posé ».

Dans un sens plus strict, le terme « câble d’acier » fait référence à un diamètre supérieur à 9,52 mm, les plus petites jauges étant désignées par le terme « câble ou cordons ». Au départ, on utilisait des fils de fer forgé, mais aujourd’hui, l’acier est le principal matériau utilisé pour les câbles métalliques.

Historiquement, les câbles d’acier ont évolué à partir de chaînes en fer forgé, qui ont connu des défaillances mécaniques.

Si les défauts des maillons de chaîne ou des barres d’acier solides peuvent entraîner une défaillance catastrophique, les défauts des fils composant un câble d’acier sont moins critiques car les autres fils absorbent facilement la charge. Si le frottement entre les différents fils et torons provoque une usure sur toute la durée de vie du câble, il contribue également à compenser les petites défaillances à court terme.

Les câbles en acier ont été développés à partir des applications de treuils miniers dans les années 1830. Les câbles d’acier sont utilisés de manière dynamique pour le levage et l’élévation dans les grues et les ascenseurs, et pour la transmission de la puissance mécanique. Les câbles d’acier sont également utilisés pour transmettre la force dans des mécanismes, tels qu’un câble Bowden ou les gouvernes d’un avion reliées à des leviers et des pédales dans le cockpit. Seuls les câbles d’avion ont une âme en toron métallique (WSC). De plus, les câbles d’avion sont disponibles dans des diamètres plus petits que les câbles en acier. Par exemple, les câbles d’avion sont disponibles en 3/64 po de diamètre alors que la plupart des câbles métalliques commencent à un diamètre de 1/4 po. Les câbles d’acier statiques sont utilisés pour soutenir des structures telles que des ponts suspendus ou comme haubans pour soutenir des tours. Un tramway aérien utilise des câbles d’acier pour soutenir et déplacer des marchandises au-dessus de sa tête.

Histoire

Le câble d’acier moderne a été inventé par l’ingénieur minier allemand Wilhelm Albert dans les années 1831 à 1834 pour être utilisé dans les mines des montagnes du Harz à Clausthal, en Basse-Saxe, en Allemagne. Il a été rapidement accepté car il s’est avéré supérieur aux câbles en chanvre ou aux chaînes métalliques, tels qu’ils avaient été utilisés auparavant.

Les premières cordes de Wilhelm Albert étaient composées de trois torons de quatre fils chacun. En 1840, l’Écossais Robert Stirling Newall améliora encore le procédé. En Amérique, le câble métallique fut fabriqué par John A. Roebling, à partir de 1841, et constitua la base de son succès dans la construction de ponts suspendus. Roebling a introduit un certain nombre d’innovations dans la conception, les matériaux et la fabrication des câbles d’acier. Toujours à l’écoute des développements technologiques dans le domaine des mines et des chemins de fer, Josiah White et Erskine Hazard, principaux propriétaires[9] de la Lehigh Coal & Navigation Company (LC&N Co. ) – comme ils l’avaient fait pour les premiers hauts-fourneaux de la vallée de la Lehigh – ont construit une usine de câbles métalliques à Mauch Chunk, en Pennsylvanie, en 1848, qui a fourni les câbles de levage pour le projet Ashley Planes, puis les rames de la voie arrière du chemin de fer Summit Hill & Mauch Chunk Railroad, améliorant ainsi son attrait en tant que destination touristique de premier plan, et améliorant considérablement le débit de la capacité charbonnière puisque le retour des wagons est passé de près de quatre heures à moins de 20 minutes. Les décennies ont été témoins d’une augmentation florissante de l’exploitation des puits profonds, tant en Europe qu’en Amérique du Nord, car les gisements de minéraux de surface étaient épuisés et les mineurs ont dû chasser les couches le long de couches inclinées. L’époque était au début du développement des chemins de fer et les machines à vapeur ne disposaient pas d’un effort de traction suffisant pour gravir les pentes raides, de sorte que les chemins de fer à plan incliné étaient courants. Cela poussa rapidement le développement des treuils à câble aux États-Unis, car les dépôts de surface dans la région du charbon d’anthracite au nord et au sud s’enfoncent chaque année davantage. Même les riches dépôts de la vallée de Panther Creek nécessitaient que la LC&N Co. creuse ses premiers puits dans les pentes plus basses à partir de Lansford et de sa ville jumelle du comté de Schuylkill, Coaldale.

La société d’ingénierie allemande Adolf Bleichert & Co. a été fondée en 1874 et a commencé à construire des tramways aériens à bicyclette pour l’exploitation minière dans la vallée de la Ruhr. Avec d’importants brevets et des dizaines de systèmes de travail en Europe, Bleichert a dominé l’industrie mondiale, puis a concédé sous licence ses conceptions et ses techniques de fabrication à Trenton Iron Works, New Jersey, USA, qui a construit des systèmes dans toute l’Amérique. Adolf Bleichert & Co. a ensuite construit des centaines de tramways aériens dans le monde entier : de l’Alaska à l’Argentine, en passant par l’Australie et le Spitzberg. La société Bleichert a également construit des centaines de tramways aériens pour l’armée impériale allemande et la Wehrmacht.

Dans la dernière moitié du XIXe siècle, des systèmes de câbles en acier ont été utilisés comme moyen de transmission de la puissance mécanique, notamment pour les nouveaux téléphériques. Les systèmes de câbles d’acier coûtaient un dixième de leur prix et présentaient des pertes par frottement inférieures à celles des arbres de transmission. En raison de ces avantages, les systèmes de câbles d’acier étaient utilisés pour transmettre l’énergie sur une distance de quelques miles ou kilomètres.

Sécurité

Les câbles d’acier sont soumis à des contraintes dues à des forces fluctuantes, à l’usure, à la corrosion et, dans de rares cas, à des forces extrêmes. La durée de vie du câble est limitée et la sécurité n’est assurée que par l’inspection pour la détection des ruptures de fil sur une longueur de câble de référence, de la perte de section, ainsi que d’autres défaillances afin que le câble d’acier puisse être remplacé avant qu’une situation dangereuse ne se produise. Les installations doivent être conçues de manière à faciliter l’inspection des câbles d’acier.

Pour en savoir plus sur les câbles métalliques, cliquez ici

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Défaillances et Quasi-Défaillances des Câbles Métalliques sur les Grues

Crane fails

Les câbles métalliques et les grues sont joints à la hanche lorsqu’on tente de soulever, de déplacer ou de transporter des matériaux. Depuis des siècles, l’association d’un câble (sisal, manille, végétal, acier, synthétique…) et d’un système de treuillage a stimulé l’imagination des ingénieurs et autres personnes intéressées par l’aide au levage et à la manutention d’objets lourds.

Les progrès considérables réalisés dans le développement du système « grue et corde » ont conduit à des avancées inimaginables dans le monde d’aujourd’hui. Une chose qui est restée constante pendant de nombreuses décennies est le fait que tous les types de câbles utilisés sur les grues finissent par s’user et doivent être remplacés.

Cet article se concentre sur les défaillances réelles, ou quasi défaillances, de câbles métalliques qui se sont produites. Le fait que tous les câbles d’une grue se détériorent au cours des périodes de fonctionnement est une vérité universelle, mais la durée de vie utile d’un câble d’acier varie en fonction des applications, des conditions de fonctionnement, de l’environnement de travail, du type de grue, du grutier et d’autres facteurs. Par conséquent, il est nécessaire que des critères d’inspection, d’entretien et de retrait appropriés soient fermement établis pour obtenir des conditions de travail sûres et efficaces.

Les sources acceptées par l’industrie pour les procédures d’inspection et de retrait sont énumérées dans la norme ASME B 30.5 Safety Standard for Mobile Cranes & Locomotive (photographie n°1), et dans le règlement OSHA CFR 29 1926 .552 OSHA Regulations on Cranes & Derricks.

Lorsqu’un câble métallique d’une grue tombe en panne, des conséquences traumatisantes s’ensuivent probablement. Au minimum, l’équipement est endommagé et le temps d’arrêt est prolongé, mais surtout, des vies sont souvent perdues. Ces défaillances de câbles d’acier sont principalement dues, non pas à des causes structurelles, mais à l’erreur humaine, à la négligence, au manque de formation ou au fait de ne pas suivre des instructions connues. Selon mon expérience, les trois principales raisons des défaillances des câbles d’acier sur les grues sont la mauvaise utilisation, l’abus et la surutilisation.

Pour continuer à lire cet article, veuillez cliquer ici Slingmakers Magazine (Page 34).

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