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
Ø 30 mmAluminium0,5 mP = 120 kN

Trouvez la déformation axiale ε dans la barre en aluminium, en microdéformations (µε = 10⁻⁶).

P = 120 kNd = 30 mmL = 0,5 mE = 70 GPa
ε = µε
2.Contrainte et déformation axialesDifficile
P = ?Ø40110 GPaØ100/70300 mm

Une tige en acier (diamètre 40 mm, E = 200 GPa, contrainte admissible 200 MPa) se trouve à l’intérieur d’un tube en bronze (diamètre extérieur 100 mm, diamètre intérieur 70 mm, E = 110 GPa, contrainte admissible 100 MPa). Ils sont comprimés ensemble entre des plaques rigides. Trouvez la plus grande charge Pmax.

barre: Ø40 mm, E = 200 GPa, σallow = 200 MPatube: Ø100/Ø70 mm, E = 110 GPa, σallow = 100 MPa
Pmax = kN
3.Torsion des arbresMoyen
T = 500 N·md = 25 mmL = 0,5 mφ = ?

Un arbre plein en laiton 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 = 500 N·md = 25 mmL = 0,5 mG = 39 GPa
φ = °
4.Torsion des arbresDifficile
Tdo​ = 60 mm, di​ = 45 mm

Un arbre creux transmet 50 kW à 300 tr/min. Trouvez la contrainte de cisaillement maximale τmax dans l’arbre.

P = 50 kWN = 300 rpmdo = 60 mmdi = 45 mm
τmax = MPa
5.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
P1​ = 50 kNP2​ = 15 kNABC1 m3 m2 m

La poutre repose sur une articulation en A et un appui simple en B, et se prolonge en porte-à-faux de 2 m au-delà de B jusqu’à l’extrémité libre C. Elle porte une charge ponctuelle P1 entre les appuis et une charge ponctuelle P2 en C. Trouvez le moment fléchissant Mx sous la charge P1. Comptez positif un moment qui fait fléchir la poutre vers le bas et un effort tranchant vers le haut sur la face gauche.

L = 6 mP1 = 50 kN à 1 mP2 = 15 kN à 6 mappuis en x = 0 et x = 4 m
Mx = kN·m
6.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
12 kN/m40 kN45 kNABCDEFG1 m1 m1 m1 m1 m1 m

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.

40 kN @ 6 m45 kN @ 1 m12 kN/m, 0–4 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 1 m)
  3. 3C (x = 2 m)
  4. 4D (x = 3 m)
  5. 5E (x = 4 m)
  6. 6F (x = 5 m)
  7. 7G (x = 6 m)
7.Centre de gravité et moment quadratiqueMoyen
200 mm300 mm180 mmØ40xIx​ = ?

Une plaque de 200 mm × 300 mm a un trou circulaire de diamètre 40 mm sur son axe vertical médian, dont le centre est à 180 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 = 300 mmd = 40 mmcentre du trou: y = 180 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
8.Centre de gravité et moment quadratiqueDifficile
100 mm200 mm130 mm30 × 20xIx​ = ?

Une plaque de 100 mm × 200 mm a une découpe rectangulaire de 30 mm de large et 20 mm de haut, centrée sur l’axe vertical médian, dont le centre est à 130 mm au-dessus du bas. Trouvez le moment quadratique Ix par rapport à l’axe horizontal passant par le centre de gravité.

b = 100 mmh = 200 mmdécoupe: 30 × 20 mmcentre du trou: y = 130 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesMoyen
σx​ = −50σy​ = 40τxy​ = 50MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −50 MPa, σᵧ = 40 MPa et τₓᵧ = 50 MPa (traction positive). Trouvez l’angle θp entre l’axe x et la direction de la plus grande contrainte principale, compris entre −90° et 90°.

σx = −50 MPaσy = 40 MPaτxy = 50 MPa
θp = °
10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintesDifficile
σx​ = −30σy​ = 60τxy​ = 30MPa

En un point d’une pièce chargée, σₓ = −30 MPa, σᵧ = 60 MPa et τₓᵧ = 30 MPa (traction positive). Trouvez la contrainte normale σθ sur une facette dont la normale est tournée de 60° dans le sens antihoraire par rapport à l’axe x.

σx = −30 MPaσy = 60 MPaτxy = 30 MPaθ = 60°
σθ = MPa
11.Flèche d’une poutreMoyen
w = 6 kN/mδL = 2 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 = 6 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (bois de structure)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
12.Flèche d’une poutreDifficile
w = 2 kN/mABδ5 m

Une poutre en bois sur deux appuis, de section rectangulaire de 125 mm de large, porte une charge uniformément répartie w sur toute sa portée. Sa flèche à mi-portée ne doit pas dépasser portée/250. Trouvez la hauteur minimale hreq de la section.

w = 2 kN/mL = 5 mE = 11 GPa (bois de structure)b = 125 mm
hreq = mm
13.Flambement des poteauxMoyen
PL = 4 md = 25 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est encastré aux deux extrémités. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 4 mE = 200 GPa (acier)d = 25 mm
Pcr = kN
14.Flambement des poteauxDifficile
PL = 2,5 md = 30 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est encastré en pied et articulé en tête. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 2,5 mE = 200 GPa (acier)d = 30 mm
σcr = MPa

3Solutions

1.Contrainte et déformation axiales

Réponse: ε = 2425 µε

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·30²/4 = 706,9 mm²
σ = P/A = 120·1000/706,9 = 169,8 MPa

Déformation (loi de Hooke)

E for aluminium = 70 GPa = 70000 MPa.

ε = σ/E = 169,8/70000 = 0,002425 = 2425 µε

Réponse

ε = 2425 µε
2.Contrainte et déformation axiales

Réponse: Pmax = 629 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

Ar = π·40²/4 = 1257 mm²
At = π(100² − 70²)/4 = 4006 mm²

Rigidité axiale combinée

ΣEA = 200·10³·1257 + 110·10³·4006 = 6,919 × 10⁸ N

Déformation déterminante

ε = min(0,001, 0,0009091) = 0,0009091 (bronze)

Charge maximale

Pmax = 0,0009091·6,919 × 10⁸ = 629033 N = 629 kN

Réponse

Pmax = 629 kN
3.Torsion des arbres

Réponse: φ = 9,577 °

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·25⁴/32 = 38350 mm⁴

Angle de torsion

φ = TL/(GJ) = 500·1000·500/(39000·38350) = 0,1672 rad
φ = 0,1672·180/π = 9,577°

Réponse

φ = 9,577°
4.Torsion des arbres

Réponse: τmax = 54,9 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 = 50000/31,42 = 1592 N·m

Moment quadratique polaire

J = π(60⁴ − 45⁴)/32 = 869767 mm⁴

Contrainte de cisaillement maximale

τmax = T·(do/2)/J = 1,592 × 10⁶·30/869767 = 54,9 MPa

Réponse

τmax = 54,9 MPa
5.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = 30 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. La charge du porte-à-faux crée aussi un moment par rapport à A.

ΣMA = 0: RB·4 = 50·1 + 15·6
RB = 140/4 = 35 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 35 = 30 kN

Coupure sous P1 en gardant la partie gauche

Mx = RA·1 = 30·1 = 30 kN·m

Réponse

Mx = 30 kN·m
6.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: E (x = 4 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 = 37,75 kN, R2 = 95,25 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.

MA = 0, MB = 31,75, MC = 6,5, MD = −30,75, ME = −80 kN·m, MF = −40, MG = 0

Réponse

Repère E: ME = −80 kN·m
7.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: Ix = 448,7 × 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 = (60000·150 − 1257·180)/(60000 − 1257) = 149,4 mm

Plaque pleine par rapport à ȳ

200·300³/12 + 60000·0,6418² = 450 × 10⁶ mm⁴

Trou par rapport à ȳ

π·40⁴/64 + 1257·30,64² = 1,306 × 10⁶ mm⁴

Soustraire

Ix = 448,7 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ix = 448,7 × 10⁶ mm⁴
8.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: Ix = 66,09 × 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 = (20000·100 − 600·130)/(20000 − 600) = 99,07 mm

Plaque pleine par rapport à ȳ

100·200³/12 + 20000·0,9278² = 66,68 × 10⁶ mm⁴

Trou par rapport à ȳ

30·20³/12 + 600·30,93² = 0,5939 × 10⁶ mm⁴

Soustraire

Ix = 66,09 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ix = 66,09 × 10⁶ mm⁴
9.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: θp = 65,99 °

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.

στxyCσ1​σ2​

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.

2θp = atan2(2·50, −50 − 40) = 132°

Angle sur l’élément

θp = 65,99°

Réponse

θp = 65,99°

Les angles positifs sont comptés dans le sens antihoraire.

10.Cercle de Mohr et changement de repère des contraintes

Réponse: σθ = 63,48 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

σθ = 15 + −45·−0,5 + 30·0,866 = 63,48 MPa

Réponse

σθ = 63,48 MPa
11.Flèche d’une poutre

Réponse: δmax = 9,47 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 = 6 N/mm, L = 2000 mm
EI = 1,32 × 10¹¹ N·mm²

Flèche

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·6·2000⁴/(384·1,32 × 10¹¹) = 9,47 mm

Réponse

δmax = 9,47 mm
12.Flèche d’une poutre

Réponse: hreq = 192,2 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 = 5000 mm, E = 11000 N/mm²

Flèche admissible

δallow = L/250 = 5000/250 = 20 mm

Moment quadratique nécessaire

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·5000⁴/(384·11000·20) = 7,398 × 10⁷ mm⁴

Hauteur requise

bh³/12 = Ireq → h = (12·7,398 × 10⁷/125)1/3 = 192,2 mm

Réponse

hreq = 192,2 mm

En pratique, choisissez la hauteur normalisée immédiatement supérieure à cette valeur.

13.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 9,462 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·25⁴/64 = 19175 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·4000 = 2000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·19175/2000² = 9462 N = 9,462 kN

Réponse

Pcr = 9,462 kN
14.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 36,26 MPa

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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 706,9 mm²
r = √(I/A) = √(39761/706,9) = 7,5 mm
KL = 0,7·2500 = 1750 mm
KL/r = 1750/7,5 = 233,3

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/233,3² = 36,26 MPa

Réponse

σcr = 36,26 MPa

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