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​ = 30 kNABRA​RB​ = ?3 m2 m3 m

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

L = 8 mP1 = 40 kN à 3 mP2 = 30 kN à 5 m
RB = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
P = 80 kN, 50°Q = 35 kNABRA​ = ?1,5 m3 m1,5 m

La poutre sur deux appuis a une articulation en A et un appui simple en B. Une charge P agit à 1,5 m de A, inclinée de 50° par rapport à l’horizontale, et une charge verticale Q agit à 4,5 m de A. Trouvez l’intensité de la réaction totale RA à l’articulation A.

L = 6 mP = 80 kN à 1,5 m, θ = 50°Q = 35 kN à 4,5 m
RA = kN
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
5 kN/m20 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.

20 kN @ 2 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 = 8 kN/mP = 30 kNABcoupe3,5 m1 m0,5 m

Trouvez le moment fléchissant Mx dans la section x = 4,5 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 = 5 mP = 30 kN à 3,5 mw = 8 kN/m de 0 à 5 mx = 4,5 m
Mx = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABCDEFGH40 kN35 kN30 kN25 kN10 kN4 × 3 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.

C: 40 kN ↓D: 35 kN ↓F: 30 kN ↓G: 25 kN ↓H: 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
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABCDEFGH10 kN20 kN15 kN10 kN40 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: 10 kN ↓D: 20 kN ↓F: 15 kN ↓F: 10 kN →H: 40 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.Flèche d’une poutreMoyen
P = 15 kNABδ3 m1 m

Une poutre sur deux appuis porte une charge ponctuelle P à a = 3 m de l’appui A. Trouvez la flèche δP sous la charge.

P = 15 kNa = 3 mL = 4 mE = 200 GPa (acier)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Flèche d’une poutreDifficile
w = 15 kN/mδL = 1,5 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 = 15 kN/mL = 1,5 mE = 11 GPa (bois de structure)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 3 m25 × 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 = 3 mE = 200 GPa (acier)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
P = 55 kNL = 6 md = ?section

Un poteau plein circulaire de longueur L en acier est encastré en pied et articulé en tête. Il doit porter 55 kN avec un coefficient de sécurité de 2 vis-à-vis du flambement. Trouvez le diamètre minimal d.

P = 55 kNn = 2L = 6 mE = 200 GPa (acier)
d = mm

3Solutions

1.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 33,75 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​ = 30 kNABRA​RB​3 m2 m3 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·8 = 40·3 + 30·5
RB = 270/8 = 33,75 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 33,75 = 36,25 kN

Réponse

RB = 33,75 kN
2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 75,09 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.

Composantes de P

Pv = 80·sin 50° = 61,28 kN
Ph = 80·cos 50° = 51,42 kN

Réactions

ΣMA = 0: RB·6 = 61,28·1,5 + 35·4,5 → RB = 41,57 kN
Ay = 61,28 + 35 − 41,57 = 54,71 kN
Ax = Ph = 51,42 kN

Résultante en A

RA = √(51,42² + 54,71²) = 75,09 kN

Réponse

RA = 75,09 kN
3.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 = 28,33 kN, R2 = 21,67 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 = 25,83, MC = 46,67 kN·m, MD = 42,5, ME = 33,33, MF = 19,17, MG = 0

Réponse

Repère C: MC = 46,67 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = 19,5 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 = 8·5 = 40 kN, appliquée en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 30·3,5 + 8·5·2,5
RB = 205/5 = 41 kN
ΣFy = 0: RA = 70 − 41 = 29 kN
w = 8 kN/mP = 30 kNABRA​ = 29RB​ = 41coupe3,5 m1 m0,5 m

Couper en x = 4,5 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 = 29·4,5 − 30·(4,5 − 3,5) − 8·4,5·2,25 = 19,5 kN·m

Réponse

Mx = 19,5 kN·m
5.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: barre BF

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 B

AB et BC sont sur une même droite et le nœud ne porte aucune charge. L’équilibre des forces perpendiculairement à cette droite ne laisse que BF.

ΣF⊥ = 0 → FBF = 0

Vérification avec la méthode des nœuds

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

AB: 49,69 kN (T), BC: 49,69 kN (T), CD: 55,31 kN (T), DE: 55,31 kN (T), FG: 76,88 kN (C), GH: 76,88 kN (C), AF: 82,81 kN (C), HE: 92,19 kN (C), BF: 0, CG: 25 kN (C), DH: 35 kN (T), FC: 45,31 kN (T), HC: 35,94 kN (T)

Réponse

Barre à effort nul: BF
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: 41,25 kN (T), BC: 47,5 kN (T), CD: 47,5 kN (T), DE: 53,75 kN (T), FG: 41,25 kN (C), GH: 53,75 kN (C), AF: 44,19 kN (C), HE: 76,01 kN (C), BF: 16,25 kN (T), CG: 0, DH: 13,75 kN (T), BG: 8,839 kN (C), DG: 8,839 kN (T)

Réponse

Barre à effort nul: CG
7.Flèche d’une poutre

Réponse: δP = 4,688 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 = 15000 N, a = 3000 mm, b = 1000 mm, L = 4000 mm
EI = 2,4 × 10¹² N·mm²

Flèche sous la charge

δP = Pa²b²/(3EIL) = 15000·3000²·1000²/(3·2,4 × 10¹²·4000) = 4,688 mm

Réponse

δP = 4,688 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: Ireq = 21,57 × 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 = 1500/360 = 4,167 mm

Moment quadratique nécessaire

I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·15·1500⁴/(384·11000·4,167) = 2,157 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 21,57 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ireq = 21,57 × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 57,12 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·3000 = 1500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·65104/1500² = 57116 N = 57,12 kN

Réponse

Pcr = 57,12 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: d = 66,9 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 = 2·55000 = 110000 N
KL = 0,7·6000 = 4200 mm

Isoler le diamètre

d = (64·n·P·(KL)²/(π³E))^(1/4) = (64·110000·4200²/(π³·200000))^(1/4) = 66,9 mm

Réponse

d = 66,9 mm

Vérification : l’élancement KL/r vaut 251,1, le poteau est donc élancé et Euler s’applique.

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