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 = 80 kNM = 40 kN·mABRB​ = ?2 m1 m1 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 m de A et un couple trigonométrique M à 2 m de A. Trouvez la réaction verticale RB, en comptant positif vers le haut.

L = 4 mP = 80 kN à 3 mM = 40 kN·m (trigonométrique) à 2 m
RB = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​ = ?RB​2 m6 m

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

L = 8 mP = 25 kN à 2 mw = 6 kN/m de 0 à 2 m
RA = kN
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
M0​ = 40 kN·mAB6 m2 m

La poutre sur deux appuis porte un couple M0 = 40 kN·m dans le sens horaire en x = 6 m à partir de A, et aucune autre charge. Trouvez le moment fléchissant Mx juste à gauche du couple. 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 mM0 = 40 kN·m dans le sens horaire, en 6 m
Mx = kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 8 kN/mP = 60 kNAB1 m3 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 = 4 mP = 60 kN à 1 mw = 8 kN/m de 0 à 4 m
Mmax = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABBCACACB10 kN5 m4 m2 m

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

portée = 5 mhauteur = 2 mB est à 4 m de Acharge verticale = 10 kN
FBC = kN
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABBCACACB30 kN5 kN6 m1 m3 m

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

portée = 6 mhauteur = 3 mB est à 1 m de Acharge verticale = 30 kNcharge horizontale = 5 kN →
FBC = kN
7.Flèche d’une poutreMoyen
P = 16 kNABδ1 m7 m

Une poutre sur deux appuis porte une charge ponctuelle P à a = 1 m de l’appui A. Trouvez la flèche δP sous la charge.

P = 16 kNa = 1 mL = 8 mE = 11 GPa (bois de structure)I = 84 × 10⁶ mm⁴
δP = mm
8.Flèche d’une poutreDifficile
w = 3 kN/mABδ3,5 m

Une poutre en bois sur deux appuis, de section rectangulaire de 150 mm de large, porte une charge uniformément répartie w sur toute sa portée. Sa flèche à mi-portée ne doit pas dépasser portée/360. Trouvez la hauteur minimale hreq de la section.

w = 3 kN/mL = 3,5 mE = 11 GPa (bois de structure)b = 150 mm
hreq = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 1 m20 × 60 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est articulé aux deux extrémités. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.

L = 1 mE = 200 GPa (acier)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 4 md = 80 mmsection

Un poteau de longueur L en acier est encastré en pied et libre en tête. Trouvez son élancement et la contrainte critique de flambement σcr avec la formule d’Euler.

L = 4 mE = 200 GPa (acier)d = 80 mm
σcr = MPa

3Solutions

1.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 50 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·4 − 80·3 + 40 = 0
RB = 200/4 = 50 kN

Équilibre vertical

RA = 80 − 50 = 30 kN

Réponse

RB = 50 kN

Une réaction négative est dirigée vers le bas.

2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 29,25 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 = 6 kN/mP = 25 kNABRA​RB​2 m6 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 = 6·2 = 12 kN, appliquée en x̄ = 1 m
ΣMA = 0: RB·8 = 25·2 + 6·2·1
RB = 62/8 = 7,75 kN
ΣFy = 0: RA = 37 − 7,75 = 29,25 kN

Réponse

RA = 29,25 kN
3.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = −30 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. Un couple appliqué fait sauter le diagramme du moment fléchissant de la valeur du couple.

Réactions d’appui

Moments par rapport à A, sens trigonométrique positif : RB·L − M0 = 0. Équilibre vertical : RA + RB = 0.

RB = M0/L = 40/8 = 5 kN (vers le haut)
RA = −RB = −5 kN (vers le bas)

Coupure juste à gauche du couple

La partie gauche ne contient que RA.

Mx = RA·a = −5·6 = −30 kN·m

Réponse

Mx = −30 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mmax = 57 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 = 8·4 = 32 kN, appliquée en x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·4 = 60·1 + 8·4·2
RB = 124/4 = 31 kN
ΣFy = 0: RA = 92 − 31 = 61 kN

Où V = 0 ?

V(1⁻) = RA − w·1 = 53 kN
V(1⁺) = 53 − 60 = −7 kN
L’effort tranchant change de signe au droit de la charge, donc le maximum est sous la charge.

Moment maximal

Mmax = RA·1 − w·1²/2 = 61·1 − 8·1²/2 = 57 kN·m

Réponse

Mmax = 57 kN·m

Il se trouve en x = 1 m à partir de A.

5.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FBC = −8,944 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.

ABBCACACB10 kNAy​Cy​

Réactions d’appui

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

ΣMA = 0: Cy·5 = 10·4 → Cy = 8 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − 8 = 2 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 = −8/0,8944 = −8,944 kN

Réponse

FBC = −8,944 kN (compression)
6.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FBC = −14,58 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.

ABBCACACB30 kN5 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 = 30·1 + 5·3 → Cy = 7,5 kN
ΣFy = 0: Ay = 30 − 7,5 = 22,5 kN
ΣFx = 0: Ax = −5 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 = 3/5,831 = 0,5145, cos γ = 5/5,831 = 0,8575
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −7,5/0,5145 = −14,58 kN

Réponse

FBC = −14,58 kN (compression)
7.Flèche d’une poutre

Réponse: δP = 35,35 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 = 16000 N, a = 1000 mm, b = 7000 mm, L = 8000 mm
EI = 9,24 × 10¹¹ N·mm²

Flèche sous la charge

δP = Pa²b²/(3EIL) = 16000·1000²·7000²/(3·9,24 × 10¹¹·8000) = 35,35 mm

Réponse

δP = 35,35 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: hreq = 163,7 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 = 3 N/mm, L = 3500 mm, E = 11000 N/mm²

Flèche admissible

δallow = L/360 = 3500/360 = 9,722 mm

Moment quadratique nécessaire

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·3·3500⁴/(384·11000·9,722) = 5,481 × 10⁷ mm⁴

Hauteur requise

bh³/12 = Ireq → h = (12·5,481 × 10⁷/150)1/3 = 163,7 mm

Réponse

hreq = 163,7 mm

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

9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 78,96 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 = 60·20³/12 = 40000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·1000 = 1000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·40000/1000² = 78957 N = 78,96 kN

Réponse

Pcr = 78,96 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 12,34 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 = 2·4000 = 8000 mm
KL/r = 8000/20 = 400

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/400² = 12,34 MPa

Réponse

σcr = 12,34 MPa

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