Statique : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 12 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Norme
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Vecteur unitaire
û = a/|a|
Composantes à partir d’un angle
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Produit scalaire
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Projection scalaire de a sur b
a·b/|b|
Travail
W = F·d
Produit vectoriel
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Aires
parallélogramme |a × b|, triangle ½|a × b|
Moment par rapport à O
MO = r × F, r = A − O
Volume d’un parallélépipède
V = |a·(b × c)|

Méthode

  1. Écrivez chaque vecteur en composantes ; pour une force donnée par une norme et un angle, utilisez F·cos θ et F·sin θ.
  2. Pour les longueurs et les directions, utilisez la norme √(x² + y² + z²) et le vecteur unitaire a/|a|.
  3. Utilisez le produit scalaire pour les angles, les projections, la perpendicularité et le travail : a·b = |a||b|cos θ.
  4. Utilisez le produit vectoriel pour les vecteurs perpendiculaires, les aires et les moments : écrivez soigneusement les trois composantes, en gardant l’ordre a × b.

Réactions d’appui des poutres

Équilibre
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Charge uniformément répartie
résultante w·L au milieu de la charge
Moment
M = F·d

Méthode

  1. Tracez un diagramme du corps libre et remplacez chaque appui par ses réactions.
  2. Remplacez chaque charge répartie par une force unique appliquée en son centre de gravité.
  3. Prenez les moments par rapport à un appui pour trouver la réaction à l’autre.
  4. Utilisez ΣFy = 0 pour trouver la réaction restante, et vérifiez avec une seconde équation de moments.

Treillis : méthode des nœuds

Méthode des nœuds
ΣFx = 0, ΣFy = 0 at each joint
Méthode des coupures
ΣM = 0 about a cut point
Effort dans la barre
positif = traction, négatif = compression

Méthode

  1. Trouvez les réactions d’appui du treillis entier.
  2. Méthode des nœuds : commencez par un nœud avec au plus deux efforts inconnus dans les barres et utilisez ΣFx = 0 et ΣFy = 0.
  3. Méthode des sections (de Ritter) : coupez la barre voulue et prenez les moments par rapport au point où se croisent les autres barres inconnues.
  4. Supposez la traction ; une réponse négative signifie une compression.

Cadres et machines

Équilibre de chaque élément
ΣFx = 0, ΣFy = 0, ΣM = 0
Élément à deux forces
force dirigée selon la droite passant par ses deux articulations
Force d’articulation
égales et opposées sur les deux éléments qu’elle relie
Intensité d’une force d’articulation
F = √(Fx² + Fy²)
Levier, pince, levier coudé
Fin·a = Fout·b
Genouillère
Flink = F/(2 sin θ), Q = F/(2 tan θ)
Charge uniformément répartie
résultante w·L au milieu de la charge

Méthode

  1. Dessinez toute la structure et trouvez les réactions d’appui s’il n’y a pas plus de trois inconnues.
  2. Repérez les éléments à deux forces : chargés seulement en deux articulations, leur force agit selon la droite qui joint ces articulations.
  3. Démontez le cadre et dessinez chaque élément séparément, avec des forces d’articulation égales et opposées là où les éléments se rejoignent.
  4. Pour chaque élément, prenez les moments autour d’une articulation où agissent des forces inconnues, puis utilisez ΣFx = 0 et ΣFy = 0 ; combinez les composantes en une intensité à la fin.

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)

2Exercices

1.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielMoyen
xyzab

Trouvez l’angle θ entre les vecteurs a = (−5, 1, 5) et b = (1, 4, −2), en degrés.

a = (−5, 1, 5)b = (1, 4, −2)
θ = °
2.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielDifficile
xyzab

Pour a = (1, 4, −4) et b = (1, 2, 2), trouvez la composante z (a × b)z du produit vectoriel a × b.

a = (1, 4, −4)b = (1, 2, 2)
(a × b)z =
3.Réactions d’appui des poutresMoyen
P1​ = 15 kNP2​ = 70 kNABCRB​ = ?1 m2,5 m1,5 m

La poutre a une articulation en A et un appui simple en B, à 3,5 m de A, et se prolonge en porte-à-faux au-delà de B jusqu’à l’extrémité libre C. Trouvez la réaction verticale RB, en comptant positif vers le haut.

AB = 3,5 mAC = 5 mP1 = 15 kN à 1 mP2 = 70 kN à 5 m
RB = kN
4.Réactions d’appui des poutresDifficile
w = 12 kN/mP = 15 kNABRA​RB​ = ?3 m5 m

La poutre sur deux appuis a une articulation en A et un appui simple en B. Trouvez la réaction verticale RB.

L = 8 mP = 15 kN à 3 mw = 12 kN/m de 0 à 8 m
RB = kN
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABCDEFGH15 kN30 kN35 kN40 kN30 kN4 × 3 m3 m

Exactement une barre de cette ferme ne supporte aucun effort sous ces charges. Laquelle est la barre à effort nul ? Cliquez dessus dans le schéma.

B: 15 kN ↓C: 30 kN ↓D: 35 kN ↓F: 40 kN ↓H: 30 kN ↓
  1. 1barre AB
  2. 2barre BC
  3. 3barre CD
  4. 4barre DE
  5. 5barre FG
  6. 6barre GH
  7. 7barre AF
  8. 8barre HE
  9. 9barre BF
  10. 10barre CG
  11. 11barre DH
  12. 12barre FC
  13. 13barre HC
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABCDEFGH35 kN10 kN30 kN10 kN4 × 4 m3 m

Exactement une barre de cette ferme ne supporte aucun effort sous ces charges. Laquelle est la barre à effort nul ? Cliquez dessus dans le schéma.

B: 35 kN ↓D: 10 kN ↓F: 30 kN ↓F: 10 kN →
  1. 1barre AB
  2. 2barre BC
  3. 3barre CD
  4. 4barre DE
  5. 5barre FG
  6. 6barre GH
  7. 7barre AF
  8. 8barre HE
  9. 9barre BF
  10. 10barre CG
  11. 11barre DH
  12. 12barre FC
  13. 13barre HC
7.Cadres et machinesMoyen
200 NQ = ?20°ABC

Dans le serre-joint à genouillère représenté, deux biellettes égales AB et BC sont articulées ensemble en B, et chacune fait 20° avec la droite AC. Une force dirigée vers le bas de 200 N est appliquée en B. Le coulisseau C presse une pièce. En négligeant le frottement et les poids, trouvez la force de serrage horizontale Q.

F = 200 Nθ = 20°
Q = N
8.Cadres et machinesDifficile
2 kN5 m1,2 m2,8 mABCDE

Le cadre en A représenté repose sur une articulation en A et un appui à rouleau en B, distants de 5 m. Les jambes se rejoignent à l’articulation C, à 4 m de hauteur, et sont reliées par la barre horizontale DE à 1,2 m. Une force horizontale de 2 kN dirigée vers la droite agit en C. Trouvez la tension T dans le tirant.

P = 2 kNAB = 5 mhauteur de C = 4 mhauteur de DE = 1,2 m
T = kN
9.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
8 kN/m35 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.

35 kN @ 2 m8 kN/m, 0–6 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)
10.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 5 kN/mABC6 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. Une charge uniformément répartie w agit sur toute la longueur A–C. Trouvez le moment fléchissant MB à l’appui B. Comptez positif un moment qui fait fléchir la poutre vers le bas et un effort tranchant vers le haut sur la face gauche.

L = 8 mw = 5 kN/m de 0 à 8 mappuis en x = 0 et x = 6 m
MB = kN·m
11.Centre de gravité et moment quadratiqueMoyen
300140t = 8xcotes en mm

Une section en U est posée ouverture vers le haut : une semelle de 300 mm de large avec deux ailes verticales de 140 mm de hauteur totale. La semelle et les ailes ont toutes une épaisseur de 8 mm. Trouvez son moment quadratique Ix par rapport à l’axe horizontal x passant par son centre de gravité.

b = 300 mmh = 140 mmt = 8 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centre de gravité et moment quadratiqueDifficile
2801518018xM = 20 kN·mcotes en mm

La section en T sert de poutre avec la semelle en haut et supporte un moment fléchissant positif de 20 kN·m. Trouvez la contrainte de flexion σbas au bord inférieur.

bf = 280 mmtf = 15 mmtw = 18 mmhw = 180 mmM = 20 kN·m
σbas = MPa

3Solutions

1.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: θ = 109,6 °

Dot product: a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.

Produit scalaire

a·b = (−5)·1 + 1·4 + 5·(−2) = −11

Normes

|a| = √((−5)² + 1² + 5²) = 7,141
|b| = √(1² + 4² + (−2)²) = 4,583

Angle

cos θ = −11/(7,141·4,583) = −0,3361
θ = arccos(−0,3361) = 109,6°

Réponse

θ = 109,6°
2.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: (a × b)z = −2

Cross product: a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.

Produit vectoriel, composante par composante

(a × b)x = aybz − azby = 4·2 − (−4)·2 = 16
(a × b)y = azbx − axbz = (−4)·1 − 1·2 = −6
(a × b)z = axby − aybx = 1·2 − 4·1 = −2

Composante demandée

(a × b)z = −2

Réponse

(a × b)z = −2

Vérification : a × b est perpendiculaire aux deux vecteurs, donc son produit scalaire avec a et avec b est nul.

3.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 104,3 kN

Équilibre statique : un corps au repos vérifie ΣFx = 0, ΣFy = 0 et ΣM = 0 par rapport à tout point. Remplacez chaque charge répartie par sa résultante (son aire) appliquée au centre de gravité du diagramme de charge, et prenez les moments par rapport à un appui pour éliminer la réaction de cet appui de l’équation.

Moments par rapport à A

Sens trigonométrique positif.

ΣMA = 0: RB·3,5 = 15·1 + 70·5
RB = 365/3,5 = 104,3 kN

Équilibre vertical

RA = 15 + 70 − 104,3 = −19,29 kN

Réponse

RB = 104,3 kN

RA est négative : l’articulation en A doit retenir la poutre vers le bas.

4.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 53,63 kN

Équilibre statique : un corps au repos vérifie ΣFx = 0, ΣFy = 0 et ΣM = 0 par rapport à tout point. Prendre les moments par rapport à un appui élimine sa réaction de l’équation.

w = 12 kN/mP = 15 kNABRA​RB​3 m5 m

Schéma du corps libre

Remplacez les appuis par des réactions. Un appui simple donne une réaction verticale ; avec des charges uniquement verticales, l’articulation ne donne aussi qu’une réaction verticale.

Équilibre

Moments par rapport à A, positifs dans le sens antihoraire. Puis équilibre des forces verticales.

Résultante de la charge répartie : W = w·ℓ = 12·8 = 96 kN, appliquée en x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 15·3 + 12·8·4
RB = 429/8 = 53,63 kN
ΣFy = 0: RA = 111 − 53,63 = 57,38 kN

Réponse

RB = 53,63 kN
5.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: barre CG

Barres à effort nul : à un nœud, les forces doivent s’équilibrer dans toutes les directions. Si un nœud n’a ni charge ni appui, et que deux de ses trois barres sont alignées, alors l’équilibre perpendiculairement à cette ligne ne fait intervenir que la troisième barre, donc son effort est nul. Si seulement deux barres se rejoignent à un nœud non chargé et qu’elles ne sont pas alignées, les deux sont nulles.

Nœud G

FG et GH sont sur une même droite et le nœud ne porte aucune charge. L’équilibre des forces perpendiculairement à cette droite ne laisse que CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Vérification avec la méthode des nœuds

La résolution de tous les nœuds donne ces efforts dans les barres (T = traction, C = compression).

AB: 72,5 kN (T), BC: 72,5 kN (T), CD: 77,5 kN (T), DE: 77,5 kN (T), FG: 90 kN (C), GH: 90 kN (C), AF: 102,5 kN (C), HE: 109,6 kN (C), BF: 15 kN (T), CG: 0, DH: 35 kN (T), FC: 24,75 kN (T), HC: 17,68 kN (T)

Réponse

Barre à effort nul: CG
6.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: barre CG

Barres à effort nul : à un nœud, les forces doivent s’équilibrer dans toutes les directions. Si un nœud n’a ni charge ni appui, et que deux de ses trois barres sont alignées, alors l’équilibre perpendiculairement à cette ligne ne fait intervenir que la troisième barre, donc son effort est nul. Si seulement deux barres se rejoignent à un nœud non chargé et qu’elles ne sont pas alignées, les deux sont nulles.

Nœud G

FG et GH sont sur une même droite et le nœud ne porte aucune charge. L’équilibre des forces perpendiculairement à cette droite ne laisse que CG.

ΣF⊥ = 0 → FCG = 0

Vérification avec la méthode des nœuds

La résolution de tous les nœuds donne ces efforts dans les barres (T = traction, C = compression).

AB: 75,83 kN (T), BC: 75,83 kN (T), CD: 34,17 kN (T), DE: 34,17 kN (T), FG: 55 kN (C), GH: 55 kN (C), AF: 82,29 kN (C), HE: 42,71 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 10 kN (T), FC: 26,04 kN (C), HC: 26,04 kN (T)

Réponse

Barre à effort nul: CG
7.Cadres et machines

Réponse: Q = 274,7 N

Machines : les pinces, leviers, mécanismes articulés et serre-joints transforment une force d’entrée en une force de sortie plus grande ou dirigée autrement. Dessinez une seule pièce comme un corps libre et prenez les moments autour de son pivot : la force d’articulation disparaît, et Fin·a = Fout·b donne l’avantage mécanique a/b. La force d’articulation découle ensuite de ΣF = 0 sur la même pièce. Dans une genouillère, deux biellettes se rejoignent sous un faible angle θ ; chaque biellette est un élément à deux forces, donc une petite force F à l’articulation crée de grandes forces dans les biellettes F/(2 sin θ) et une force de serrage F/(2 tan θ).

Équilibre de l’articulation B

2·Flink·sin 20° = 200
Flink = 292,4 N

Force de serrage

Q = Flink·cos 20° = 200/(2·tan 20°) = 274,7 N

Réponse

Q = 274,7 N

Le rapport des forces Q/F = 1,374 croît sans limite lorsque les biellettes se redressent.

8.Cadres et machines

Réponse: T = 1,429 kN

Cadres et machines : contrairement à un treillis, un cadre contient au moins un élément qui supporte des forces en plus de deux points, ou une charge entre ses articulations. Cherchez d’abord les éléments à deux forces : un élément chargé seulement en deux articulations a sa force selon la droite qui les joint, donc il n’ajoute qu’une inconnue, et non deux. Utilisez ensuite la structure entière pour les réactions d’appui lorsqu’il n’y a pas plus de trois inconnues. Enfin, démontez le cadre : dessinez chaque élément séparément, avec des forces d’articulation égales et opposées sur les deux éléments qu’elles relient, et écrivez ΣFx = 0, ΣFy = 0 et ΣM = 0 pour lui. Prendre les moments autour d’une articulation supprime de l’équation les deux composantes de la force de cette articulation.

Cadre entier : moments autour de A

By·5 = 2·4
By = 1,6 kN

Jambe BC : moments autour de C

1,6·2,5 = T·2,8
T = 1,429 kN

Réponse

T = 1,429 kN

Un T positif signifie que le tirant est en traction, comme supposé.

9.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: C (x = 2 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 = 47,33 kN, R2 = 35,67 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 = 43,33, MC = 78,67 kN·m, MD = 71, ME = 55,33, MF = 31,67, MG = 0

Réponse

Repère C: MC = 78,67 kN·m
10.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: MB = −10 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, y compris la charge sur le porte-à-faux.

Résultante de la charge répartie : W = w·ℓ = 5·8 = 40 kN, appliquée en x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·6 = 5·8·4
RB = 160/6 = 26,67 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 26,67 = 13,33 kN

Coupure en B en gardant le porte-à-faux

La charge sur le porte-à-faux, w·a, agit à a/2 de B et met la poutre en flexion négative au-dessus de l’appui.

MB = −w·a²/2 = −5·2²/2 = −10 kN·m

Réponse

MB = −10 kN·m
11.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: Ix = 8,584 × 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 rectangles

Prenez la semelle sur toute la largeur et les deux ailes au-dessus (hauteur h − t), pour ne rien compter deux fois.

excipient: A1 = 300·8 = 2400 mm², y1 = 4 mm
deux ailes: A2 = 2·8·132 = 2112 mm², y2 = 8 + 132/2 = 74 mm

Centre de gravité

ȳ = (2400·4 + 2112·74)/4512 = 36,77 mm

Théorème de Huygens

excipient: 300·8³/12 + 2400·(4 − 36,77)² = 2,589 × 10⁶ mm⁴
deux ailes: 2·8·132³/12 + 2112·(74 − 36,77)² = 5,995 × 10⁶ mm⁴
Ix = 2,589 × 10⁶ + 5,995 × 10⁶
Ix = 8,584 × 10⁶ mm⁴ = 8,584 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ix = 8,584 × 10⁶ mm⁴
12.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: σbas = 110,7 MPa

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.

Découper en deux rectangles

Mesurez chaque y depuis le bord inférieur.

semelle: Af = 280·15 = 4200 mm², yf = 180 + 15/2 = 187,5 mm
âme: Aw = 18·180 = 3240 mm², yw = 180/2 = 90 mm

Centre de gravité

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (4200·187,5 + 3240·90)/7440 = 145 mm

Théorème de Huygens

semelle: 280·15³/12 + 4200·(187,5 − 145)² = 7,651 × 10⁶ mm⁴
âme: 18·180³/12 + 3240·(90 − 145)² = 1,856 × 10⁷ mm⁴
Ix = 7,651 × 10⁶ + 1,856 × 10⁷ = 2,621 × 10⁷ mm⁴

Contrainte de flexion

Le bord inférieur est à ȳ de l’axe.

y = 145 mm
σ = M·y/I = 2 × 10⁷·145/2,621 × 10⁷ = 110,7 MPa

Réponse

σbas = 110,7 MPa

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