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
P1​ = 40 kNP2​ = 55 kNABRA​RB​ = ?1 m7 m2 m

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

L = 10 mP1 = 40 kN à 1 mP2 = 55 kN à 8 m
RB = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
w = 8 kN/mP = 80 kNABCRA​ = ?1 m2 m1 m2 m

La poutre a une articulation en A et un appui simple en B, à 4 m de A, et se prolonge en porte-à-faux au-delà de B jusqu’à l’extrémité libre C. Elle porte une charge ponctuelle P à 1 m de A et une charge uniformément répartie w de 3 m jusqu’à l’extrémité libre à 6 m. Trouvez la réaction verticale RA, en comptant positif vers le haut.

AB = 4 mAC = 6 mP = 80 kN à 1 mw = 8 kN/m de 3 à 6 m
RA = kN
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
P1​ = 10 kNP2​ = 60 kNAB2 m2 m4 m

La poutre sur deux appuis porte deux charges ponctuelles. Trouvez le moment fléchissant maximal Mmax dans la poutre.

L = 8 mP1 = 10 kN à 2 mP2 = 60 kN à 4 m
Mmax = kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 6 kN/mABC5 m2,5 m

La poutre repose sur une articulation en A et un appui simple en B, et se prolonge en porte-à-faux de 2,5 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 = 7,5 mw = 6 kN/m de 0 à 7,5 mappuis en x = 0 et x = 5 m
MB = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABBCACACB50 kN8 m6 m2 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 = 2 mB est à 6 m de Acharge verticale = 50 kN
FAB = kN
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABBCACACB25 kN30 kN6 m5 m2 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 = 2 mB est à 5 m de Acharge verticale = 25 kNcharge horizontale = 30 kN →
FAC = kN
7.Flèche d’une poutreMoyen
w = 10 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 = 10 kN/mL = 2 mE = 11 GPa (bois de structure)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Flèche d’une poutreDifficile
w = 1 kN/mABδ3,5 m

Une poutre en bois sur deux appuis, de section rectangulaire de 75 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 = 1 kN/mL = 3,5 mE = 11 GPa (bois de structure)b = 75 mm
hreq = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2,5 m50 × 100 mmsection

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

L = 2,5 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 50 × 100 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 5 kNL = 6 md = ?section

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

P = 5 kNn = 2,5L = 6 mE = 70 GPa (aluminium)
d = mm

3Solutions

1.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 48 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.

P1​ = 40 kNP2​ = 55 kNABRA​RB​1 m7 m2 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.

ΣMA = 0: RB·10 = 40·1 + 55·8
RB = 480/10 = 48 kN
ΣFy = 0: RA = 95 − 48 = 47 kN

Réponse

RB = 48 kN
2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 57 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.

Résultante de la charge répartie

W = 8·3 = 24 kN, x̄ = (3 + 6)/2 = 4,5 m

Équilibre

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

ΣMA = 0: RB·4 = 80·1 + 24·4,5
RB = 188/4 = 47 kN
RA = 104 − 47 = 57 kN

Réponse

RA = 57 kN
3.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mmax = 130 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.

ΣMA = 0: RB·8 = 10·2 + 60·4
RB = 260/8 = 32,5 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 32,5 = 37,5 kN

Moment sous chaque charge

Gardez la partie à gauche de chaque charge.

sous P1: M = RA·2 = 37,5·2 = 75 kN·m
sous P2: M = RB·4 = 32,5·4 = 130 kN·m

Plus grande valeur

Mmax = 130 kN·m (sous P2)

Réponse

Mmax = 130 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: MB = −18,75 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. 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 = 6·7,5 = 45 kN, appliquée en x̄ = 3,75 m
ΣMA = 0: RB·5 = 6·7,5·3,75
RB = 168,8/5 = 33,75 kN
ΣFy = 0: RA = 45 − 33,75 = 11,25 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 = −6·2,5²/2 = −18,75 kN·m

Réponse

MB = −18,75 kN·m
5.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FAB = −39,53 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.

ABBCACACB50 kNAy​Cy​

Réactions d’appui

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 50·6 → Cy = 37,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 37,5 = 12,5 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 = 2/6,325 = 0,3162
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −12,5/0,3162 = −39,53 kN

Réponse

FAB = −39,53 kN (compression)
6.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FAC = 15,42 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 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 = 25·5 + 30·2 → Cy = 30,83 kN
ΣFy = 0: Ay = 25 − 30,83 = −5,833 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 = 2/2,236 = 0,8944, cos γ = 1/2,236 = 0,4472
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −30,83/0,8944 = −34,47 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−34,47)·0,4472 = 15,42 kN

Réponse

FAC = 15,42 kN (traction)
7.Flèche d’une poutre

Réponse: δmax = 1,184 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 = 10 N/mm, L = 2000 mm
EI = 1,76 × 10¹² N·mm²

Flèche

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·10·2000⁴/(384·1,76 × 10¹²) = 1,184 mm

Réponse

δmax = 1,184 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: hreq = 126,6 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 = 1 N/mm, L = 3500 mm, E = 11000 N/mm²

Flèche admissible

δallow = L/250 = 3500/250 = 14 mm

Moment quadratique nécessaire

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·1·3500⁴/(384·11000·14) = 1,269 × 10⁷ mm⁴

Hauteur requise

bh³/12 = Ireq → h = (12·1,269 × 10⁷/75)1/3 = 126,6 mm

Réponse

hreq = 126,6 mm

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

9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 28,79 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

Un rectangle flambe autour de son axe faible, avec la plus petite dimension au cube.

Imin = h·b³/12 = 100·50³/12 = 1,042 × 10⁶ mm⁴

Longueur de flambement

KL = 2·2500 = 5000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·1,042 × 10⁶/5000² = 28786 N = 28,79 kN

Réponse

Pcr = 28,79 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 50,5 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 = 2,5·5000 = 12500 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·12500·4200²/(π³·70000))^(1/4) = 50,5 mm

Réponse

d = 50,5 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 332,7, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

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