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​ = 25 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​ = ?1,5 m1,5 m2 m

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

L = 5 mP1 = 25 kN à 1,5 mP2 = 40 kN à 3 m
RB = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
w = 6 kN/mP = 30 kNABRA​ = ?RB​1 m2 m3 m2 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 = 30 kN à 6 mw = 6 kN/m de 1 à 3 m
RA = kN
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
w = 2 kN/mP = 70 kNAB2,5 m

La console est encastrée en A. Elle porte une charge uniformément répartie w sur toute sa longueur et une charge ponctuelle P à 2,5 m de A. Trouvez le moment fléchissant MA à l’encastrement 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 = 2,5 mP = 70 kN à 2,5 mw = 2 kN/m de 0 à 2,5 m
MA = kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 4 kN/mP = 70 kNAB1 m4 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 = 5 mP = 70 kN à 1 mw = 4 kN/m de 0 à 5 m
Mmax = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABCDEFGH35 kN20 kN15 kN15 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.

B: 35 kN ↓C: 20 kN ↓D: 15 kN ↓F: 15 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
ABBCACACB50 kN25 kN8 m3 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 3 m de Acharge verticale = 50 kNcharge horizontale = 25 kN →
FAB = kN
7.Flèche d’une poutreMoyen
w = 15 kN/mδL = 2 m

Une console porte une charge uniformément répartie w sur toute sa longueur. Trouvez la flèche δ à l’extrémité libre.

w = 15 kN/mL = 2 mE = 70 GPa (aluminium)I = 36 × 10⁶ mm⁴
δ = 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 = 70 GPa (aluminium)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 5 md = 30 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 = 5 mE = 200 GPa (acier)d = 30 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 5 md = 80 mmsection

Un poteau de longueur L en aluminium est encastré en pied et libre en tête. 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: RB = 31,5 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.

P1​ = 25 kNP2​ = 40 kNABRA​RB​1,5 m1,5 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·5 = 25·1,5 + 40·3
RB = 157,5/5 = 31,5 kN
ΣFy = 0: RA = 65 − 31,5 = 33,5 kN

Réponse

RB = 31,5 kN
2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 16,5 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 = 6 kN/mP = 30 kNABRA​RB​1 m2 m3 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.

Résultante de la charge répartie : W = w·ℓ = 6·2 = 12 kN, appliquée en x̄ = 2 m
ΣMA = 0: RB·8 = 30·6 + 6·2·2
RB = 204/8 = 25,5 kN
ΣFy = 0: RA = 42 − 25,5 = 16,5 kN

Réponse

RA = 16,5 kN
3.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: MA = −181,3 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.

Garder la partie côté extrémité libre

P: −70·2,5 = −175 kN·m
w: −2·2,5²/2 = −6,25 kN·m
MA = −175 − 6,25 = −181,3 kN·m

Réponse

MA = −181,3 kN·m

Négatif signifie flexion négative : la face supérieure est tendue.

4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mmax = 64 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 = 4·5 = 20 kN, appliquée en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 70·1 + 4·5·2,5
RB = 120/5 = 24 kN
ΣFy = 0: RA = 90 − 24 = 66 kN

Où V = 0 ?

V(1⁻) = RA − w·1 = 62 kN
V(1⁺) = 62 − 70 = −8 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 = 66·1 − 4·1²/2 = 64 kN·m

Réponse

Mmax = 64 kN·m

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

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 G

FG et GH 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: 38,44 kN (T), BC: 38,44 kN (T), CD: 25,31 kN (T), DE: 25,31 kN (T), FG: 39,38 kN (C), GH: 39,38 kN (C), AF: 64,06 kN (C), HE: 42,19 kN (C), BF: 35 kN (T), CG: 0, DH: 15 kN (T), FC: 1,563 kN (T), HC: 23,44 kN (T)

Réponse

Barre à effort nul: CG
6.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FAB = −45,07 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 kN25 kNAy​Cy​Ax​

Réactions d’appui

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

ΣMA = 0: Cy·8 = 50·3 + 25·2 → Cy = 25 kN
ΣFy = 0: Ay = 50 − 25 = 25 kN
ΣFx = 0: Ax = −25 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 = 2/3,606 = 0,5547
ΣFy = 0: Ay + FAB·sin α = 0
FAB = −25/0,5547 = −45,07 kN

Réponse

FAB = −45,07 kN (compression)
7.Flèche d’une poutre

Réponse: δ = 11,9 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 = 15 N/mm, L = 2000 mm
EI = 2,52 × 10¹² N·mm²

Flèche

δ = wL⁴/(8EI) = 15·2000⁴/(8·2,52 × 10¹²) = 11,9 mm

Réponse

δ = 11,9 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: Ireq = 3,39 × 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/(384·70000·4,167) = 3,39 × 10⁶ mm⁴
Ireq = 3,39 × 10⁶ mm⁴

Réponse

Ireq = 3,39 × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 12,56 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·30⁴/64 = 39761 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,5·5000 = 2500 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·39761/2500² = 12558 N = 12,56 kN

Réponse

Pcr = 12,56 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 2,763 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 = 2·5000 = 10000 mm
KL/r = 10000/20 = 500

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/500² = 2,763 MPa

Réponse

σcr = 2,763 MPa

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