Calcul des structures : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 10 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

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.

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.

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.

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.Réactions d’appui des poutresMoyen
P = 60 kNM = 10 kN·mABRA​ = ?0,5 m3 m1,5 m

La poutre sur deux appuis a une articulation en A et un appui simple en B. Elle porte une charge ponctuelle P à 3,5 m de A et un couple trigonométrique M à 0,5 m de A. Trouvez la réaction verticale RA, en comptant positif vers le haut.

L = 5 mP = 60 kN à 3,5 mM = 10 kN·m (trigonométrique) à 0,5 m
RA = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
w0​ = 20 kN/mP = 80 kNABMA​ = ?5,5 m0,5 m

La console est encastrée dans le mur en A. Elle porte une charge linéairement variable qui vaut 20 kN/m au mur et décroît jusqu’à zéro à l’extrémité libre B, plus une charge ponctuelle P à 5,5 m du mur. Trouvez la valeur absolue du moment d’encastrement MA au mur.

L = 6 mw0 = 20 kN/mP = 80 kN à 5,5 m
MA = kN·m
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
5 kN/m25 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.

25 kN @ 4 m5 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)
4.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 2 kN/mP = 50 kNAB2,5 m3,5 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 = 6 mP = 50 kN à 2,5 mw = 2 kN/m de 0 à 6 m
Mmax = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABBCACACB25 kN8 m7 m4 m

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver l’effort FAB dans la barre AB. Donnez la traction en positif et la compression en négatif.

portée = 8 mhauteur = 4 mB est à 7 m de Acharge verticale = 25 kN
FAB = kN
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABBCACACB60 kN30 kN6 m5 m4 m

Utilisez la méthode des nœuds pour trouver l’effort FAC dans la barre AC. Donnez la traction en positif et la compression en négatif.

portée = 6 mhauteur = 4 mB est à 5 m de Acharge verticale = 60 kNcharge horizontale = 30 kN →
FAC = kN
7.Flèche d’une poutreMoyen
P = 27 kNABδ2 m1 m

Une console de longueur L est encastrée en A et porte une charge ponctuelle P à une distance a = 2 m de A. Trouvez la flèche δB à l’extrémité libre B.

P = 27 kNa = 2 mL = 3 mE = 70 GPa (aluminium)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δB = mm
8.Flèche d’une poutreDifficile
w = 10 kN/mδL = 4 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 = 10 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (bois de structure)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 4 md = 50 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 = 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 5 md = 80 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est articulé aux deux extrémités. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 80 mm
σcr = MPa

3Solutions

1.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 20 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·5 − 60·3,5 + 10 = 0
RB = 200/5 = 40 kN

Équilibre vertical

RA = 60 − 40 = 20 kN

Réponse

RA = 20 kN

Une réaction négative est dirigée vers le bas.

2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: MA = 560 kN·m

Équilibre d’une console : un encastrement peut pousser vers le haut et aussi s’opposer à la rotation, il donne donc une réaction verticale RA et un moment d’encastrement MA. ΣFy = 0 donne RA, et les moments par rapport au mur donnent MA = Σ(charge × distance au mur). Une charge répartie agit comme sa résultante au centre de gravité du diagramme de charge.

Résultante de la charge triangulaire

W = ½·20·6 = 60 kN
x̄ = L/3 = 2 m

Moment par rapport au mur

MA = W·x̄ + P·a = 60·2 + 80·5,5 = 560 kN·m

Réponse

MA = 560 kN·m
3.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 = 23,33 kN, R2 = 31,67 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 = 20,83, MC = 36,67, MD = 47,5, ME = 53,33 kN·m, MF = 29,17, MG = 0

Réponse

Repère E: ME = 53,33 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mmax = 81,67 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 = 2·6 = 12 kN, appliquée en x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 50·2,5 + 2·6·3
RB = 161/6 = 26,83 kN
ΣFy = 0: RA = 62 − 26,83 = 35,17 kN

Où V = 0 ?

V(2,5⁻) = RA − w·2,5 = 30,17 kN
V(2,5⁺) = 30,17 − 50 = −19,83 kN
L’effort tranchant change de signe au droit de la charge, donc le maximum est sous la charge.

Moment maximal

Mmax = RA·2,5 − w·2,5²/2 = 35,17·2,5 − 2·2,5²/2 = 81,67 kN·m

Réponse

Mmax = 81,67 kN·m

Il se trouve en x = 2,5 m à partir de A.

5.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FAB = −6,299 kN

Méthode des nœuds : chaque nœud d’un treillis est en équilibre, donc ΣFx = 0 et ΣFy = 0 en chaque nœud. Commencez par un nœud ayant au plus deux efforts inconnus. Un résultat négatif signifie que la barre est comprimée.

ABBCACACB25 kNAy​Cy​

Réactions d’appui

Équilibre de tout le treillis. Moments par rapport à A, positifs dans le sens antihoraire.

ΣMA = 0: Cy·8 = 25·7 → Cy = 21,88 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 21,88 = 3,125 kN

Nœud A

Supposez toutes les barres en traction (elles tirent vers l’extérieur du nœud). Seule AB a une composante verticale en A.

sin α = 4/8,062 = 0,4961
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −3,125/0,4961 = −6,299 kN

Réponse

FAB = −6,299 kN (compression)
6.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FAC = 17,5 kN

Méthode des nœuds : chaque nœud d’un treillis est en équilibre, donc ΣFx = 0 et ΣFy = 0 en chaque nœud. Commencez par un nœud ayant au plus deux efforts inconnus. Un résultat négatif signifie que la barre est comprimée.

ABBCACACB60 kN30 kNAy​Cy​Ax​

Réactions d’appui

Équilibre de tout le treillis. Moments par rapport à A, positifs dans le sens antihoraire.

ΣMA = 0: Cy·6 = 60·5 + 30·4 → Cy = 70 kN
ΣFy = 0: Ay = 60 − 70 = −10 kN
ΣFx = 0: Ax = −30 kN

Nœud C

L’appui simple ne donne qu’une réaction verticale, donc le nœud C n’a que deux efforts de barre inconnus. Supposez-les tous deux en traction.

sin γ = 4/4,123 = 0,9701, cos γ = 1/4,123 = 0,2425
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −70/0,9701 = −72,15 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−72,15)·0,2425 = 17,5 kN

Réponse

FAC = 17,5 kN (traction)
7.Flèche d’une poutre

Réponse: δB = 21,43 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.

P = 27000 N, a = 2000 mm, L = 3000 mm
EI = 5,88 × 10¹² N·mm²

Flèche à l’extrémité libre

Flèche au droit de la charge plus la rotation au droit de la charge multipliée par la longueur restante.

δP = Pa³/(3EI) = 12,24 mm
θP = Pa²/(2EI) = 0,009184 rad
δB = δP + θP·(L − a) = Pa²(3L − a)/(6EI) = 21,43 mm

Réponse

δB = 21,43 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: Ireq = 272,7 × 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 = 4000/360 = 11,11 mm

Moment quadratique nécessaire

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·10·4000⁴/(384·11000·11,11) = 2,727 × 10⁸ mm⁴
Ireq = 272,7 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ireq = 272,7 × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 151,4 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 = 0,5·4000 = 2000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·306796/2000² = 151398 N = 151,4 kN

Réponse

Pcr = 151,4 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 11,05 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·80⁴/64 = 2,011 × 10⁶ mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 5027 mm²
r = √(I/A) = √(2,011 × 10⁶/5027) = 20 mm
KL = 1·5000 = 5000 mm
KL/r = 5000/20 = 250

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/250² = 11,05 MPa

Réponse

σcr = 11,05 MPa

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