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
εT = 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

  1. Trouvez le moment quadratique polaire : J = πd⁴/32 pour un arbre plein.
  2. Contrainte de cisaillement en surface : τ = T·r/J, avec r le rayon extérieur.
  3. Angle de torsion : φ = TL/(GJ) en radians.
  4. 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/ymax
Poutre sur deux appuis, charge uniforme
Mmax = wL²/8

Méthode

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

Centre de gravité et moment quadratique

Centre de gravité
ȳ = ΣAiyi/ΣAi
Rectangle
I = bh³/12
Théorème de Huygens
I = Ic + A·d²
Section composée
I = Σ(Ic,i + Aidi²)

Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Centre
C = (σx + σy)/2
Rayon
R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²)
Contraintes principales
σ1,2 = C ± R
Direction principale
tan 2θp = 2τxy/(σx − σy)
Facette inclinée
σθ = C + (σx − σy)/2·cos 2θ + τxy·sin 2θ

Méthode

  1. Calculez le centre du cercle de Mohr : C = (σx + σy)/2.
  2. Calculez le rayon : R = √(((σx − σy)/2)² + τxy²).
  3. Les contraintes principales valent C ± R et la plus grande contrainte de cisaillement dans le plan vaut R.
  4. 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
Pcr = 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
σcr = Pcr/A
Élancement
λ = KL/r, r = √(I/A)

2Exercices

1.Contrainte et déformation axialesMoyen
P = ?12600 mm300 mmØ40Ø40δ = 0,5 mm

Une barre est faite d’un tronçon en acier (diamètre 40 mm, longueur 600 mm, E = 200 GPa) assemblé bout à bout avec un tronçon en bronze (diamètre 40 mm, longueur 300 mm, E = 110 GPa). Elle est fixée à une extrémité et tirée à l’autre. Trouvez la charge axiale P qui l’allonge de 0,5 mm au total.

tronçon 1: acier, Ø40 mm, 600 mm, E = 200 GPatronçon 2: bronze, Ø40 mm, 300 mm, E = 110 GPaδ = 0,5 mm
P = kN
2.Contrainte et déformation axialesDifficile
100 kN12500 mm500 mmØ25Ø40σ2​ = ?

Un tronçon en acier (diamètre 25 mm, longueur 500 mm, E = 200 GPa) et un tronçon en aluminium (diamètre 40 mm, longueur 500 mm, E = 70 GPa) sont assemblés bout à bout et fixés entre deux murs rigides. Une charge axiale de 100 kN agit à la jonction, vers le tronçon 2. Trouvez la valeur absolue de la contrainte σ2 dans le tronçon 2.

tronçon 1: acier, Ø25 mm, 500 mm, E = 200 GPatronçon 2: aluminium, Ø40 mm, 500 mm, E = 70 GPaP = 100 kN
σ2 = MPa
3.Torsion des arbresMoyen
do​ = 30, di​ = 23 mmT = 1500 N·mL = 0,8 m

Un arbre creux en acier (diamètre extérieur 30 mm, diamètre intérieur 23 mm, longueur 0,8 m) est encastré à une extrémité et soumis à un couple de 1500 N·m à l’autre. Trouvez l’angle de torsion φ en degrés.

T = 1500 N·mdo = 30 mmdi = 23 mmL = 0,8 mG = 80 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
Tdo​ = 40 mm, di​ = 30 mm

Un arbre creux transmet 15 kW à 300 tr/min. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

P = 15 kWN = 300 rpmdo = 40 mmdi = 30 mm
τmax = MPa
5.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
M0​ = 45 kN·mAB3 m2 m

La poutre sur deux appuis porte un couple M0 = 45 kN·m dans le sens horaire en x = 3 m à partir de A, et aucune autre charge. Trouvez le moment fléchissant Mx juste à droite du couple. Comptez positif un moment qui fait fléchir la poutre vers le bas et un effort tranchant vers le haut sur la face gauche.

L = 5 mM0 = 45 kN·m dans le sens horaire, en 3 m
Mx = kN·m
6.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 2 kN/mP = 35 kNAB1 m7 m

La poutre sur deux appuis porte une charge uniformément répartie w sur toute sa portée et une charge ponctuelle P. Trouvez le moment fléchissant maximal Mmax dans la poutre.

L = 8 mP = 35 kN à 1 mw = 2 kN/m de 0 à 8 m
Mmax = kN·m
7.Centre de gravité et moment quadratiqueMoyen
200 mm150 mm60 mmØ30xIx​ = ?

Une plaque de 200 mm × 150 mm a un trou circulaire de diamètre 30 mm sur son axe vertical médian, dont le centre est à 60 mm au-dessus du bas. Trouvez le moment quadratique Ix par rapport à l’axe horizontal passant par le centre de gravité.

b = 200 mmh = 150 mmd = 30 mmcentre du trou: y = 60 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Centre de gravité et moment quadratiqueDifficile
120 mm150 mm52,5 mm80 × 30xIx​ = ?

Une plaque de 120 mm × 150 mm a une découpe rectangulaire de 80 mm de large et 30 mm de haut, centrée sur l’axe vertical médian, dont le centre est à 52,5 mm au-dessus du bas. Trouvez le moment quadratique Ix par rapport à l’axe horizontal passant par le centre de gravité.

b = 120 mmh = 150 mmdécoupe: 80 × 30 mmcentre du trou: y = 52,5 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = 90σy​ = 30τxy​ = −60MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 90 MPa, σᵧ = 30 MPa et τₓᵧ = −60 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement maximale dans le plan τmax.

σx = 90 MPaσy = 30 MPaτxy = −60 MPa
τmax = MPa
10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = 120σy​ = −40τxy​ = 10MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = 120 MPa, σᵧ = −40 MPa et τₓᵧ = 10 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte de cisaillement τθ sur une facette dont la normale est tournée de 60° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x (positive dans le même sens que τₓᵧ).

σx = 120 MPaσy = −40 MPaτxy = 10 MPaθ = 60°
τθ = MPa
11.Flèche d’une poutreMoyen
w = 8 kN/mδL = 8 m

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

w = 8 kN/mL = 8 mE = 70 GPa (aluminium)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.Flèche d’une poutreDifficile
w = 6 kN/mδL = 2,5 m

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

w = 6 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (bois de structure)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
13.Flambement des poteauxMoyen
PL = 6 md = 50 mmsection

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

L = 6 mE = 200 GPa (acier)d = 50 mm
Pcr = kN
14.Flambement des poteauxDifficile
P = 100 kNL = 2 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en aluminium est encastré en pied et articulé en tête. Il doit porter 100 kN avec un coefficient de sécurité de 2,5 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 100 kNn = 2,5L = 2 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm

3Solutions

1.Contrainte et déformation axiales

Réponse: P = 109,7 kN

Deux matériaux : en série (l’un après l’autre), chaque tronçon supporte le même effort et les allongements s’additionnent : δ = P·Σ L/(E·A). En parallèle (côte à côte entre des plaques rigides), les deux parties se raccourcissent de la même quantité, donc leurs déformations sont égales : la partie la plus rigide prend la plus grande part, Pi = P·EiAi/ΣEA, et σi = Ei·ε. Une barre tenue entre deux murs rigides avec une charge à la jonction est hyperstatique : les deux tronçons se partagent la charge proportionnellement à leur rigidité k = EA/L.

Aires

A₁ = 1257 mm², A₂ = 1257 mm²

Souplesses

L₁/(E₁A₁) = 600/(200000·1257) = 2,387 × 10⁻⁶ mm/N
L₂/(E₂A₂) = 300/(110000·1257) = 2,17 × 10⁻⁶ mm/N

Charge

P = 0,5/4,558 × 10⁻⁶ = 109706 N = 109,7 kN

Réponse

P = 109,7 kN
2.Contrainte et déformation axiales

Réponse: σ2 = 37,61 MPa

Deux matériaux : en série (l’un après l’autre), chaque tronçon supporte le même effort et les allongements s’additionnent : δ = P·Σ L/(E·A). En parallèle (côte à côte entre des plaques rigides), les deux parties se raccourcissent de la même quantité, donc leurs déformations sont égales : la partie la plus rigide prend la plus grande part, Pi = P·EiAi/ΣEA, et σi = Ei·ε. Une barre tenue entre deux murs rigides avec une charge à la jonction est hyperstatique : les deux tronçons se partagent la charge proportionnellement à leur rigidité k = EA/L.

Rigidités

k₁ = 200000·490,9/500 = 196350 N/mm
k₂ = 70000·1257/500 = 175929 N/mm

Part du tronçon 2

F2 = 100000·175929/372279 = 47257 N

Contrainte

σ2 = 47257/1257 = 37,61 MPa (compression)

Réponse

σ2 = 37,61 MPa
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 16,51 °

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/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(30⁴ − 23⁴)/32 = 52048 mm⁴

Angle de torsion

T = 1500 N·m = 1,5 × 10⁶ N·mm
L = 0,8 m = 800 mm
G = 80 GPa = 80000 MPa
φ = TL/(GJ) = 1,5 × 10⁶·800/(80000·52048) = 0,2882 rad
φ = 0,2882·180/π = 16,51°

Réponse

φ = 16,51°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 55,58 MPa

Torsion des arbres circulaires : la contrainte de cisaillement croît linéairement de zéro au centre jusqu’à τmax = T·r/J en surface, avec J = πd⁴/32 pour un arbre plein et J = π(do⁴ − di⁴)/32 pour un arbre creux. L’angle de torsion vaut φ = TL/(GJ) en radians. Puissance et couple sont liés par P = T·ω.

Couple

ω = 2πN/60 = 2π·300/60 = 31,42 rad/s
T = P/ω = 15000/31,42 = 477,5 N·m

Moment quadratique polaire

J = π(40⁴ − 30⁴)/32 = 171806 mm⁴

Contrainte de cisaillement maximale

τmax = T·(do/2)/J = 477465·20/171806 = 55,58 MPa

Réponse

τmax = 55,58 MPa
5.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = 18 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. Un couple appliqué fait sauter le diagramme du moment fléchissant de la valeur du couple.

Réactions d’appui

Moments par rapport à A, sens trigonométrique positif : RB·L − M0 = 0. Équilibre vertical : RA + RB = 0.

RB = M0/L = 45/5 = 9 kN (vers le haut)
RA = −RB = −9 kN (vers le bas)

Coupure juste à droite du couple

La partie gauche contient maintenant RA et le couple.

Mx = RA·a + M0 = −9·3 + 45 = 18 kN·m

Réponse

Mx = 18 kN·m
6.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mmax = 38,29 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. Moment maximal : comme dM/dx = V, le moment fléchissant atteint son maximum là où l’effort tranchant s’annule, soit sous une charge ponctuelle, soit à l’intérieur d’une charge répartie.

Réactions d’appui

Équilibre de toute la poutre.

Résultante de la charge répartie : W = w·ℓ = 2·8 = 16 kN, appliquée en x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 35·1 + 2·8·4
RB = 99/8 = 12,38 kN
ΣFy = 0: RA = 51 − 12,38 = 38,63 kN

Où V = 0 ?

RA − P − w·x0 = 0 → x0 = (38,63 − 35)/2 = 1,813 m

Moment maximal

Mmax = RA·x0 − P·(x0 − 1) − w·x0²/2 = 38,29 kN·m

Réponse

Mmax = 38,29 kN·m

Il se trouve en x = 1,813 m à partir de A.

7.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: Ix = 56,05 × 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 = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), où d est la distance du centre de gravité propre de chaque partie à l’axe passant par ȳ. Un rectangle a Ic = bh³/12 et un cercle Ic = πd⁴/64.

Centre de gravité

ȳ = (30000·75 − 706,9·60)/(30000 − 706,9) = 75,36 mm

Plaque pleine par rapport à ȳ

200·150³/12 + 30000·−0,362² = 56,25 × 10⁶ mm⁴

Trou par rapport à ȳ

π·30⁴/64 + 706,9·−15,36² = 0,2066 × 10⁶ mm⁴

Soustraire

Ix = 56,05 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ix = 56,05 × 10⁶ mm⁴
8.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: Ix = 32,17 × 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 = (Ic1 + A₁d₁²) − (Ic2 + A₂d₂²), où d est la distance du centre de gravité propre de chaque partie à l’axe passant par ȳ. Un rectangle a Ic = bh³/12 et un cercle Ic = πd⁴/64.

Centre de gravité

ȳ = (18000·75 − 2400·52,5)/(18000 − 2400) = 78,46 mm

Plaque pleine par rapport à ȳ

120·150³/12 + 18000·−3,462² = 33,97 × 10⁶ mm⁴

Trou par rapport à ȳ

80·30³/12 + 2400·−25,96² = 1,798 × 10⁶ mm⁴

Soustraire

Ix = 32,17 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ix = 32,17 × 10⁶ mm⁴
9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τmax = 67,08 MPa

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.

στxyCτmax​

Rayon du cercle de Mohr

τmax = R = √(((90 − 30)/2)² + −60²) = 67,08 MPa

Réponse

τmax = 67,08 MPa
10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: τθ = −74,28 MPa

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.

Formule de changement de repère

τθ = −80·0,866 + 10·−0,5 = −74,28 MPa

Réponse

τθ = −74,28 MPa
11.Flèche d’une poutre

Réponse: δmax = 50,79 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 = 8 N/mm, L = 8000 mm
EI = 8,4 × 10¹² N·mm²

Flèche

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·8·8000⁴/(384·8,4 × 10¹²) = 50,79 mm

Réponse

δmax = 50,79 mm
12.Flèche d’une poutre

Réponse: Ireq = 39,95 × 10⁶ mm⁴

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).

Flèche admissible

δallow = L/360 = 2500/360 = 6,944 mm

Moment quadratique nécessaire

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·6·2500⁴/(384·11000·6,944) = 3,995 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 39,95 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ireq = 39,95 × 10⁶ mm⁴
13.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 4,205 kN

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = 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

Une section circulaire a le même I par rapport à tout axe.

I = πd⁴/64 = π·50⁴/64 = 306796 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·6000 = 12000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/12000² = 4205 N = 4,205 kN

Réponse

Pcr = 4,205 kN
14.Flambement des poteaux

Réponse: d = 61,65 mm

Flambement d’Euler : un poteau élancé devient instable à Pcr = 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.

Charge critique nécessaire

Pcr = n·P = 2,5·100000 = 250000 N
KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·250000·1400²/(π³·70000))^(1/4) = 61,65 mm

Réponse

d = 61,65 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 90,83, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

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