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 le produit scalaire a·b de a = (5, −1, −4) et b = (−4, −2, −5).

a = (5, −1, −4)b = (−4, −2, −5)
a·b =
2.Vecteurs : produit scalaire et produit vectorielDifficile
xyzabc

Trouvez le volume V du parallélépipède dont les arêtes issues d’un sommet sont a = (4, −1, 0), b = (5, −2, −5) et c = (1, 5, 5).

a = (4, −1, 0)b = (5, −2, −5)c = (1, 5, 5)
V =
3.Réactions d’appui des poutresMoyen
P = 80 kNM = 10 kN·mABRB​ = ?1 m2 m7 m

La poutre sur deux appuis a une articulation en A et un appui simple en B. Elle porte une charge ponctuelle P à 1 m de A et un couple trigonométrique M à 3 m de A. Trouvez la réaction verticale RB, en comptant positif vers le haut.

L = 10 mP = 80 kN à 1 mM = 10 kN·m (trigonométrique) à 3 m
RB = kN
4.Réactions d’appui des poutresDifficile
w = 12 kN/mP = 55 kNABRA​RB​ = ?2,5 m2,5 m

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

L = 5 mP = 55 kN à 2,5 mw = 12 kN/m de 0 à 5 m
RB = kN
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABCDEFGH40 kN15 kN30 kN4 × 4 m4 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: 40 kN ↓F: 15 kN ↓G: 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 BG
  13. 13barre DG
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABCDEFGH40 kN30 kN20 kN20 kN20 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.

D: 40 kN ↓F: 30 kN ↓F: 20 kN →G: 20 kN ↓H: 20 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 BG
  13. 13barre DG
7.Cadres et machinesMoyen
5 kN0,8 m1,7 m1 mABCD

Une poutre horizontale AB est articulée à un mur en A et soutenue par la contrefiche CD, articulée au mur en C, 1 m sous A. Une charge de 5 kN est suspendue en B. Négligez les poids. Trouvez l’intensité de la force d’articulation A sur la poutre en A.

P = 5 kNAD = 0,8 mAB = 2,5 mAC = 1 m
A = kN
8.Cadres et machinesDifficile
w = 4 kN/m3 kN0,8 m1,2 m0,75 mABCD

La poutre AB de la console murale représentée est articulée en A et soutenue par la contrefiche CD (C est 0,75 m sous A). La poutre porte une charge uniformément répartie de 4 kN/m sur toute sa longueur et une charge ponctuelle de 3 kN à son extrémité libre B. Trouvez la force FCD dans la contrefiche.

w = 4 kN/mP = 3 kNAD = 0,8 mAB = 2 mAC = 0,75 m
FCD = kN
9.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
w = 10 kN/mABcoupe3,5 m4,5 m

Trouvez le moment fléchissant Mx dans la section x = 3,5 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 = 8 mw = 10 kN/m de 0 à 8 mx = 3,5 m
Mx = kN·m
10.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 10 kN/mP = 40 kNABcoupe1 m4,5 m0,5 m

Trouvez le moment fléchissant Mx dans la section x = 5,5 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 = 6 mP = 40 kN à 1 mw = 10 kN/m de 0 à 6 mx = 5,5 m
Mx = kN·m
11.Centre de gravité et moment quadratiqueMoyen
160420126xcotes en mm

Une section en I symétrique a des semelles de 160 mm de large et 12 mm d’épaisseur, une hauteur totale de 420 mm et une âme de 6 mm d’épaisseur. Trouvez son moment quadratique Ix par rapport à l’axe horizontal x passant par le centre de gravité.

B = 160 mmH = 420 mmtf = 12 mmtw = 6 mm
Ix = × 10⁶ mm⁴
12.Centre de gravité et moment quadratiqueDifficile
3002012020xM = 50 kN·mcotes en mm

La section en T sert de poutre avec la semelle en haut et supporte un moment fléchissant positif de 50 kN·m. Trouvez la valeur de la contrainte de flexion σhaut au bord supérieur.

bf = 300 mmtf = 20 mmtw = 20 mmhw = 120 mmM = 50 kN·m
σhaut = MPa

3Solutions

1.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: a·b = 2

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.

Multiplier les composantes correspondantes et additionner

a·b = 5·(−4) + (−1)·(−2) + (−4)·(−5) = (−20) + 2 + 20 = 2

Réponse

a·b = 2

Positif : l’angle entre les vecteurs est inférieur à 90°.

2.Vecteurs : produit scalaire et produit vectoriel

Réponse: V = 90

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 b × c

(b × c)x = bycz − bzcy = (−2)·5 − (−5)·5 = 15
(b × c)y = bzcx − bxcz = (−5)·1 − 5·5 = −30
(b × c)z = bxcy − bycx = 5·5 − (−2)·1 = 27

Produit scalaire avec a

a·(b × c) = 4·15 + (−1)·(−30) + 0·27 = 90
V = |90| = 90

Réponse

V = 90
3.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 7 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·10 − 80·1 + 10 = 0
RB = 70/10 = 7 kN

Équilibre vertical

RA = 80 − 7 = 73 kN

Réponse

RB = 7 kN

Une réaction négative est dirigée vers le bas.

4.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 57,5 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 = 55 kNABRA​RB​2,5 m2,5 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 = 12·5 = 60 kN, appliquée en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 55·2,5 + 12·5·2,5
RB = 287,5/5 = 57,5 kN
ΣFy = 0: RA = 115 − 57,5 = 57,5 kN

Réponse

RB = 57,5 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 C

BC et CD 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: 56,25 kN (T), BC: 57,5 kN (T), CD: 57,5 kN (T), DE: 28,75 kN (T), FG: 56,25 kN (C), GH: 28,75 kN (C), AF: 79,55 kN (C), HE: 40,66 kN (C), BF: 41,25 kN (T), CG: 0, DH: 28,75 kN (T), BG: 1,768 kN (C), DG: 40,66 kN (C)

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 C

BC et CD 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: 62,5 kN (T), BC: 75 kN (T), CD: 75 kN (T), DE: 67,5 kN (T), FG: 62,5 kN (C), GH: 67,5 kN (C), AF: 60,1 kN (C), HE: 95,46 kN (C), BF: 12,5 kN (T), CG: 0, DH: 47,5 kN (T), BG: 17,68 kN (C), DG: 10,61 kN (C)

Réponse

Barre à effort nul: CG
7.Cadres et machines

Réponse: A = 16,41 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.

Force dans la contrefiche

FCD = 5·2,5/(0,7809·0,8) = 20,01 kN

Composantes en A

Ax = FCD·cos α = 12,5 kN (vers le mur)
Ay = 5 − FCD·sin α = −10,62 kN

Norme

A = √(12,5² + −10,62²) = 16,41 kN

Réponse

A = 16,41 kN

Un Ay négatif signifie que le mur tire la poutre vers le bas en A.

8.Cadres et machines

Réponse: FCD = 25,59 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.

Résultante de la charge répartie

w·L = 4·2 = 8 kN à 1 m

Moments autour de A pour la poutre

FCD·0,6839·0,8 = 8·1 + 3·2 = 14 kN·m
FCD = 25,59 kN

Réponse

FCD = 25,59 kN
9.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = 78,75 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 = 10·8 = 80 kN, appliquée en x̄ = 4 m
ΣMA = 0: RB·8 = 10·8·4
RB = 320/8 = 40 kN
ΣFy = 0: RA = 80 − 40 = 40 kN
w = 10 kN/mABRA​ = 40RB​ = 40coupe3,5 m4,5 m

Couper en x = 3,5 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 = RA·x − (chaque charge à gauche de la coupe × sa distance à la coupe)
Mx = 40·3,5 − 10·3,5·1,75 = 78,75 kN·m

Réponse

Mx = 78,75 kN·m
10.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = 17,08 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 = 10·6 = 60 kN, appliquée en x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 40·1 + 10·6·3
RB = 220/6 = 36,67 kN
ΣFy = 0: RA = 100 − 36,67 = 63,33 kN
w = 10 kN/mP = 40 kNABRA​ = 63,33RB​ = 36,67coupe1 m4,5 m0,5 m

Couper en x = 5,5 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 = RA·x − (chaque charge à gauche de la coupe × sa distance à la coupe)
Mx = 63,33·5,5 − 40·(5,5 − 1) − 10·5,5·2,75 = 17,08 kN·m

Réponse

Mx = 17,08 kN·m
11.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: Ix = 190,9 × 10⁶ mm⁴

Moment quadratique : pour un rectangle, par rapport à son propre axe passant par le centre de gravité, I = bh³/12, et par rapport à sa base bh³/3 (théorème de Huygens : I = Ic + A·d²). Un trou se traite en soustrayant son I, à condition que les deux parties soient rapportées au même axe. Le module de flexion élastique vaut S = I/c, où c est la distance à la fibre extrême.

Rectangle extérieur moins les deux évidements latéraux

Les deux évidements ensemble font (B − tw) de large et hw = H − 2tf de haut, et sont rapportés à l’axe x.

hw = 420 − 2·12 = 396 mm
Ix = (B·H³ − (B − tw)·hw³)/12 = (160·420³ − 154·396³)/12
Ix = 1,909 × 10⁸ mm⁴ = 190,9 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ix = 190,9 × 10⁶ mm⁴
12.Centre de gravité et moment quadratique

Réponse: σhaut = 130,7 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 = 300·20 = 6000 mm², yf = 120 + 20/2 = 130 mm
âme: Aw = 20·120 = 2400 mm², yw = 120/2 = 60 mm

Centre de gravité

ȳ = (Afyf + Awyw)/(Af + Aw) = (6000·130 + 2400·60)/8400 = 110 mm

Théorème de Huygens

semelle: 300·20³/12 + 6000·(130 − 110)² = 2,6 × 10⁶ mm⁴
âme: 20·120³/12 + 2400·(60 − 110)² = 8,88 × 10⁶ mm⁴
Ix = 2,6 × 10⁶ + 8,88 × 10⁶ = 1,148 × 10⁷ mm⁴

Contrainte de flexion

Le bord supérieur est à h − ȳ de l’axe.

y = 140 − 110 = 30 mm
σ = M·y/I = 5 × 10⁷·30/1,148 × 10⁷ = 130,7 MPa

Réponse

σhaut = 130,7 MPa

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