Résistance des matériaux : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 14 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Contrainte et déformation axiales

Contrainte normale: σ = F/A
Déformation: ε = ΔL/L
Loi de Hooke: σ = E·ε
Allongement: ΔL = FL/(EA)
Déformation thermique: ε_T = α·ΔT

Torsion des arbres

Contrainte de cisaillement: τ = T·r/J
Arbre plein: J = πd⁴/32
Arbre creux: J = π(D⁴ − d⁴)/32
Angle de torsion: φ = TL/(GJ)
Puissance: P = T·ω = 2πnT/60

Méthode

Trouvez le moment quadratique polaire : J = πd⁴/32 pour un arbre plein.
Contrainte de cisaillement en surface : τ = T·r/J, avec r le rayon extérieur.
Angle de torsion : φ = TL/(GJ) en radians.
Si la puissance est donnée, trouvez d’abord le couple avec P = T·ω, ω = 2πn/60.

Effort tranchant et moment fléchissant

Effort tranchant et moment: V = ΣF d’un côté, M = ΣF·d d’un côté
Contrainte de flexion: σ = M·y/I
Rectangle: I = bh³/12
Module de flexion: W = I/y_max
Poutre sur deux appuis, charge uniforme: M_max = wL²/8

Méthode

Trouvez les réactions d’appui à partir de l’équilibre de la poutre entière.
Coupez la poutre à la section voulue et gardez un seul côté.
Effort tranchant : somme des forces verticales de ce côté. Moment fléchissant : somme de leurs moments par rapport à la coupure.
Pour le moment maximal, cherchez où l’effort tranchant s’annule.

Centre de gravité et moment quadratique

Centre de gravité: ȳ = ΣA_iy_i/ΣA_i
Rectangle: I = bh³/12
Théorème de Huygens: I = I_c + A·d²
Section composée: I = Σ(I_c,i + A_id_i²)

Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Centre: C = (σ_x + σ_y)/2
Rayon: R = √(((σ_x − σ_y)/2)² + τ_xy²)
Contraintes principales: σ_1,2 = C ± R
Direction principale: tan 2θ_p = 2τ_xy/(σ_x − σ_y)
Facette inclinée: σ_θ = C + (σ_x − σ_y)/2·cos 2θ + τ_xy·sin 2θ

Méthode

Calculez le centre du cercle de Mohr : C = (σx + σy)/2.
Calculez le rayon : R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
Les contraintes principales valent C ± R et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.
Les angles sur le cercle sont le double des angles sur l’élément : tan 2θp = 2τxy/(σx − σy).

Flèche d’une poutre

Charge ponctuelle à mi-portée: δ = PL³/(48EI)
Charge uniforme, poutre sur deux appuis: δ = 5wL⁴/(384EI)
Console, charge en bout: δ = PL³/(3EI)
Console, charge uniforme: δ = wL⁴/(8EI)
Superposition: δ = δ₁ + δ₂

Flambement des poteaux

Charge critique d’Euler: P_cr = π²EI/(KL)²
Coefficient de longueur de flambement: K = 1 articulé–articulé, 0,5 encastré–encastré, 0,7 encastré–articulé, 2 encastré–libre
Contrainte critique: σ_cr = P_cr/A
Élancement: λ = KL/r, r = √(I/A)

2Exercices

1.Contrainte et déformation axialesMoyen

Trouvez l’allongement δ de la barre en laiton sous l’effort axial.

P = 55 kNd = 16 mmL = 1 mE = 100 GPa

δ = mm

2.Contrainte et déformation axialesDifficile

La barre étagée est encastrée dans le mur et chargée à son extrémité libre. Trouvez la contrainte normale maximale σ_max dans la barre.

P = 55 kNtronçon 1 : Ø25 mm, 2 m, cuivre (E = 117 GPa)tronçon 2 : Ø12 mm, 2 m, cuivre (E = 117 GPa)

σ_max = MPa

3.Torsion des arbresMoyen

Un arbre plein en acier est encastré dans le mur et tordu par un couple T à son extrémité libre. Trouvez l’angle de torsion φ de l’extrémité libre, en degrés.

T = 250 N·md = 50 mmL = 1,5 mG = 80 GPa

φ = °

4.Torsion des arbresDifficile

Un arbre plein en acier de diamètre 40 mm est encastré en A. Un couple de 500 N·m agit en B, à 3 m de A, et un couple de 1000 N·m de sens opposé agit à l’extrémité libre C, 1 m plus loin. Trouvez la valeur absolue de l’angle de torsion φ_C de l’extrémité C, en degrés.

d = 40 mmT_B = 500 N·mT_C = 1000 N·mAB = 3 mBC = 1 mG = 80 GPa

φ_C = °

5.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen

Les repères A à G divisent la poutre en six parties égales. À quel repère le moment fléchissant est-il le plus grand en valeur absolue, positif ou négatif ? Cliquez dessus dans le schéma.

60 kN @ 8 m15 kN/m, 4–12 m

1A (x = 0 m)
2B (x = 2 m)
3C (x = 4 m)
4D (x = 6 m)
5E (x = 8 m)
6F (x = 10 m)
7G (x = 12 m)

6.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile

Trouvez le moment fléchissant M_x dans la section x = 1 m à partir de l’appui A. Comptez positif un moment qui fait fléchir la poutre vers le bas et un effort tranchant vers le haut sur la face gauche.

L = 10 mP = 15 kN à 1 mw = 6 kN/m de 0 à 10 mx = 1 m

M_x = kN·m

7.Centre de gravité et moment quadratiqueMoyen

Une plaque de 200 mm × 240 mm a un trou circulaire de diamètre 40 mm sur son axe vertical médian, dont le centre est à 72 mm au-dessus du bas. Trouvez le moment quadratique I_x par rapport à l’axe horizontal passant par le centre de gravité.

b = 200 mmh = 240 mmd = 40 mmcentre du trou: y = 72 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

8.Centre de gravité et moment quadratiqueDifficile

Une section en I soudée a une semelle supérieure de 140 × 20 mm, une âme de 210 mm de haut et 14 mm d’épaisseur, et une semelle inférieure de 170 × 16 mm (largeur × épaisseur). Trouvez son moment quadratique I_x par rapport à l’axe horizontal x passant par son centre de gravité.

semelle supérieure: 140 × 20 mmâme: 14 × 210 mmsemelle inférieure: 170 × 16 mm

I_x = × 10⁶ mm⁴

9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −70 MPa, σᵧ = 20 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez l’angle θ_p entre l’axe x et la direction de la plus grande contrainte principale, compris entre −90° et 90°.

σ_x = −70 MPaσ_y = 20 MPaτ_xy = 30 MPa

θ_p = °

10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −10 MPa, σᵧ = 110 MPa et τₓᵧ = −20 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σ_θ sur une facette dont la normale est tournée de 25° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σ_x = −10 MPaσ_y = 110 MPaτ_xy = −20 MPaθ = 25°

σ_θ = MPa

11.Flèche d’une poutreMoyen

Une poutre sur deux appuis porte une charge uniformément répartie w sur toute sa portée. Trouvez la flèche maximale δ_max, à mi-portée.

w = 2 kN/mL = 8 mE = 200 GPa (acier)I = 84 × 10⁶ mm⁴

δ_max = mm

12.Flèche d’une poutreDifficile

Une poutre sur deux appuis porte une charge uniformément répartie w. Sa flèche ne doit pas dépasser portée/360. Trouvez le moment quadratique minimal I_req qui respecte cette limite.

w = 2 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (aluminium)

I_req = × 10⁶ mm⁴

13.Flambement des poteauxMoyen

Un poteau de longueur L en aluminium est encastré en pied et libre en tête. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement P_cr.

L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 30 × 80 mm

P_cr = kN

14.Flambement des poteauxDifficile

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré en pied et libre en tête. Il doit porter 105 kN avec un coefficient de sécurité de 3 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 105 kNn = 3L = 5 mE = 200 GPa (acier)

d = mm

3Solutions

1.Contrainte et déformation axiales

Réponse: δ = 2,735 mm

Loi de Hooke : dans le domaine élastique, σ = E·ε. Avec σ = P/A et ε = δ/L, on obtient δ = PL/(AE).

Contrainte

A = π·16²/4 = 201,1 mm²

σ = P/A = 55·1000/201,1 = 273,5 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for laiton = 100 GPa = 100000 MPa.

ε = σ/E = 273,5/100000 = 0,002735 = 2735 µε

Allongement

δ = ε·L = 0,002735·1000 mm = 2,735 mm

Réponse

δ = 2,735 mm

2.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σ_max = 486,3 MPa

Éléments en charge axiale : chaque tronçon prismatique vérifie δ = PL/(AE). Pour des tronçons en série, les allongements s’additionnent.

Même effort dans les deux tronçons

L’extrémité libre porte P, donc chaque section de la barre transmet le même effort normal P. Seules les aires et les matériaux changent.

A₁ = π·25²/4 = 490,9 mm², A₂ = π·12²/4 = 113,1 mm²

σ₁ = 112 MPa

σ₂ = 486,3 MPa

Contrainte maximale

Le tronçon le plus fin a la plus petite aire, donc il porte la plus grande contrainte.

σ_max = 486,3 MPa

Réponse

σ_max = 486,3 MPa

3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 0,4377 °

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τ_max = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(d_o⁴ − d_i⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Moment quadratique polaire

J = π·50⁴/32 = 613592 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 250·1000·1500/(80000·613592) = 0,007639 rad

φ = 0,007639·180/π = 0,4377°

Réponse

φ = 0,4377°

4.Torsion des arbres

Réponse: φ_C = 7,124 °

Couples internes

Sens de T_C pris comme positif.

T_BC = T_C = 1000 N·m

T_AB = T_C − T_B = 1000 − 500 = 500 N·m

Torsion de chaque tronçon

J = π·40⁴/32 = 251327 mm⁴

G = 80 GPa = 80000 MPa

φ_AB = 500000·3000/(80000·251327) = 0,0746 rad

φ_BC = 1 × 10⁶·1000/(80000·251327) = 0,04974 rad

Torsion de l’extrémité C

φ_C = 0,0746 + 0,04974 = 0,1243 rad → |φ_C| = 7,124°

Réponse

φ_C = 7,124°

5.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: E (x = 8 m)

Plus grand moment fléchissant : M change de pente partout où l’effort tranchant change, donc ses pics se situent là où l’effort tranchant passe par zéro : sous une charge ponctuelle, à l’intérieur d’une charge répartie, ou sur un appui d’un porte-à-faux. À l’encastrement d’une console, le moment est le plus grand au mur. Comparez la valeur de M à ces endroits, positif ou négatif.

Réactions d’appui

Prenez les moments autour d’un appui, puis utilisez l’équilibre des forces verticales.

R₁ = 60 kN, R₂ = 120 kN

Moment fléchissant à chaque repère

Additionnez les moments de toutes les forces d’un côté de la coupe. Positif quand la poutre fléchit vers le bas, négatif sinon.

M_A = 0, M_B = 120, M_C = 240, M_D = 330, M_E = 360 kN·m, M_F = 210, M_G = 0

Réponse

Repère E: M_E = 360 kN·m

6.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: M_x = 40,5 kN·m

Méthode des coupures : coupez la poutre là où vous voulez les efforts internes et gardez un côté. L’effort tranchant V équilibre les forces verticales de ce côté, et le moment fléchissant M équilibre leurs moments par rapport à la coupe.

Réactions d’appui

Équilibre de toute la poutre.

Résultante de la charge répartie : W = w·ℓ = 6·10 = 60 kN, appliquée en x̄ = 5 m

ΣM_A = 0: R_B·10 = 15·1 + 6·10·5

R_B = 315/10 = 31,5 kN

ΣF_y = 0: R_A = 75 − 31,5 = 43,5 kN

Couper en x = 1 m et garder la partie gauche

Seules les forces à gauche de la coupe apparaissent. Une portion de charge répartie agit comme une force au milieu de cette portion.

M = R_A·x − (chaque charge à gauche de la coupe × sa distance à la coupe)

M_x = 43,5·1 − 6·1·0,5 = 40,5 kN·m

Réponse

M_x = 40,5 kN·m

7.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: I_x = 227,3 × 10⁶ mm⁴

Sections avec trous : traitez un trou comme une aire négative. Le centre de gravité est ȳ = (A₁y₁ − A₂y₂)/(A₁ − A₂), avec A₁, y₁ pour la plaque pleine et A₂, y₂ pour le trou. Pour le moment quadratique par rapport à l’axe passant par le centre de gravité, utilisez le théorème des axes parallèles pour chaque partie et soustrayez le trou : I = (I_c1 + A₁d₁²) − (I_c2 + A₂d₂²), où d est la distance du centre de gravité propre de chaque partie à l’axe passant par ȳ. Un rectangle a I_c = bh³/12 et un cercle I_c = πd⁴/64.

Centre de gravité

ȳ = (48000·120 − 1257·72)/(48000 − 1257) = 121,3 mm

Plaque pleine par rapport à ȳ

200·240³/12 + 48000·−1,29² = 230,5 × 10⁶ mm⁴

Trou par rapport à ȳ

π·40⁴/64 + 1257·−49,29² = 3,179 × 10⁶ mm⁴

Soustraire

I_x = 227,3 × 10⁶ mm⁴

Réponse

I_x = 227,3 × 10⁶ mm⁴

8.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: I_x = 82,69 × 10⁶ mm⁴

Sections composées : découpez la section en rectangles. Le centre de gravité est la moyenne pondérée par les aires ȳ = ΣAᵢyᵢ/ΣAᵢ. Le moment quadratique par rapport à l’axe passant par le centre de gravité additionne pour chaque partie son propre bh³/12 et son terme de Huygens A·d², où d est la distance entre le centre de gravité de la partie et celui de la section. La contrainte de flexion vaut σ = M·y/I.

Décomposer en trois rectangles

Mesurez chaque y depuis le bord inférieur.

semelle supérieure: A = 2800 mm², y = 236 mm

âme: A = 2940 mm², y = 121 mm

semelle inférieure: A = 2720 mm², y = 8 mm

Centre de gravité

ȳ = (2800·236 + 2940·121 + 2720·8)/8460 = 122,7 mm

Théorème de Huygens

semelle supérieure: 140·20³/12 + 2800·113,3² = 3,602 × 10⁷ mm⁴

âme: 14·210³/12 + 2940·1,73² = 1,081 × 10⁷ mm⁴

semelle inférieure: 170·16³/12 + 2720·114,7² = 3,586 × 10⁷ mm⁴

I_x = 3,602 × 10⁷ + 1,081 × 10⁷ + 3,586 × 10⁷

I_x = 8,269 × 10⁷ mm⁴ = 82,69 × 10⁶ mm⁴

Réponse

I_x = 82,69 × 10⁶ mm⁴

9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θ_p = 73,15 °

Changement de repère en contraintes planes : sur une facette tournée de θ, σ = (σₓ + σᵧ)/2 + (σₓ − σᵧ)/2·cos 2θ + τₓᵧ·sin 2θ. Le cercle de Mohr représente toutes les facettes à la fois : son centre est en C = (σₓ + σᵧ)/2 et son rayon vaut R = √(((σₓ − σᵧ)/2)² + τₓᵧ²). Les contraintes principales valent C ± R, et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.

Angle sur le cercle

Sur le cercle de Mohr, le point x se trouve à un angle 2θp de l’axe σ ; le quadrant découle des signes de σₓ − σᵧ et de τₓᵧ.

2θ_p = atan2(2·30, −70 − 20) = 146,3°

Angle sur l’élément

θ_p = 73,15°

Réponse

θ_p = 73,15°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σ_θ = −3,888 MPa

Formule de changement de repère

σ_θ = 50 + −60·0,6428 + −20·0,766 = −3,888 MPa

Réponse

σ_θ = −3,888 MPa

11.Flèche d’une poutre

Réponse: δ_max = 6,349 mm

Flèche des poutres : les flèches s’obtiennent en intégrant deux fois la courbure M/(EI). Les cas courants sont tabulés, par exemple PL³/(3EI) pour une console avec charge en bout et 5wL⁴/(384EI) pour une poutre sur deux appuis sous charge uniforme. Les flèches dues à des charges différentes s’additionnent (superposition).

Unités cohérentes

Travaillez en N et mm : P en N, w en N/mm (kN/m = N/mm), L en mm, E en N/mm² (GPa × 1000), I en mm⁴.

w = 2 N/mm, L = 8000 mm

EI = 1,68 × 10¹³ N·mm²

Flèche

δ_max = 5wL⁴/(384EI) = 5·2·8000⁴/(384·1,68 × 10¹³) = 6,349 mm

Réponse

δ_max = 6,349 mm

12.Flèche d’une poutre

Réponse: I_req = 68,57 × 10⁶ mm⁴

Flèche admissible

δ_allow = L/360 = 8000/360 = 22,22 mm

Moment quadratique nécessaire

I = 5wL⁴/(384·E·δ_allow) = 5·2·8000⁴/(384·70000·22,22) = 6,857 × 10⁷ mm⁴

I_req = 68,57 × 10⁶ mm⁴

Réponse

I_req = 68,57 × 10⁶ mm⁴

13.Flambement des poteaux

Réponse: P_cr = 4,974 kN

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à P_cr = π²EI/(KL)², où KL est la longueur de flambement : K = 1 pour articulé–articulé, 2 pour encastré–libre, 0,7 pour encastré–articulé et 0,5 pour encastré–encastré. Il flambe autour de l’axe ayant le plus petit I. La formule vaut pour les poteaux élancés, dont la contrainte critique reste sous la limite d’élasticité.

Plus petit moment quadratique

Un rectangle flambe autour de son axe faible, avec la plus petite dimension au cube.

I_min = h·b³/12 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·2500 = 5000 mm

Charge critique

P_cr = π²EI/(KL)² = π²·70000·180000/5000² = 4974 N = 4,974 kN

Réponse

P_cr = 4,974 kN

14.Flambement des poteaux

Réponse: d = 134,3 mm

Charge critique nécessaire

P_cr = n·P = 3·105000 = 315000 N

KL = 2·5000 = 10000 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·315000·10000²/(π³·200000))^(1/4) = 134,3 mm

Réponse

d = 134,3 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 297,9, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

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