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​ = 35 kNP2​ = 75 kNABCRA​ = ?2 m1,5 m1,5 m

La poutre a une articulation en A et un appui simple en B, à 3,5 m de A, et se prolonge en porte-à-faux au-delà de B jusqu’à l’extrémité libre C. Trouvez la réaction verticale RA, en comptant positif vers le haut.

AB = 3,5 mAC = 5 mP1 = 35 kN à 2 mP2 = 75 kN à 5 m
RA = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
w = 10 kN/mP = 60 kNABRA​ = ?RB​7 m1 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 = 60 kN à 7 mw = 10 kN/m de 0 à 7 m
RA = kN
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
5 kN/m45 kNABCDEFG2 m2 m2 m2 m2 m2 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.

45 kN @ 6 m5 kN/m, 0–12 m
  1. 1A (x = 0 m)
  2. 2B (x = 2 m)
  3. 3C (x = 4 m)
  4. 4D (x = 6 m)
  5. 5E (x = 8 m)
  6. 6F (x = 10 m)
  7. 7G (x = 12 m)
4.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
w = 5 kN/mABC5 m1,5 m

La poutre repose sur une articulation en A et un appui simple en B, et se prolonge en porte-à-faux de 1,5 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 positif maximal Mmax entre les appuis.

L = 6,5 mw = 5 kN/m de 0 à 6,5 mappuis en x = 0 et x = 5 m
Mmax = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABBCACACB15 kN4 m3 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 = 4 mhauteur = 4 mB est à 3 m de Acharge verticale = 15 kN
FAC = kN
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABBCACACB55 kN5 kN8 m7 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 = 8 mhauteur = 3 mB est à 7 m de Acharge verticale = 55 kNcharge horizontale = 5 kN →
FBC = kN
7.Flèche d’une poutreMoyen
w = 2 kN/mP = 27 kNABδ2 m

Une console porte une charge uniformément répartie w sur toute sa longueur et une charge ponctuelle P à son extrémité libre. Par superposition, trouvez la flèche δ à l’extrémité libre.

P = 27 kNw = 2 kN/mL = 2 mE = 200 GPa (acier)I = 160 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Flèche d’une poutreDifficile
P = 29 kNABδ3,5 m2,5 m

Une poutre sur deux appuis porte une charge ponctuelle P à b = 2,5 m de l’appui B. Trouvez la flèche maximale δmax de la poutre.

P = 29 kNb = 2,5 mL = 6 mE = 70 GPa (aluminium)I = 120 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 2 m30 × 80 mmsection

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

L = 2 mE = 200 GPa (acier)b × h = 30 × 80 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 4 md = 60 mmsection

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

L = 4 mE = 200 GPa (acier)d = 60 mm
σcr = MPa

3Solutions

1.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = −17,14 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·3,5 = 35·2 + 75·5
RB = 445/3,5 = 127,1 kN

Équilibre vertical

RA = 35 + 75 − 127,1 = −17,14 kN

Réponse

RA = −17,14 kN

RA est négative : l’articulation en A doit retenir la poutre vers le bas.

2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 46,88 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 = 10 kN/mP = 60 kNABRA​RB​7 m1 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 = 10·7 = 70 kN, appliquée en x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 60·7 + 10·7·3,5
RB = 665/8 = 83,13 kN
ΣFy = 0: RA = 130 − 83,13 = 46,88 kN

Réponse

RA = 46,88 kN
3.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: D (x = 6 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 = 52,5 kN, R2 = 52,5 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 = 95, MC = 170, MD = 225 kN·m, ME = 170, MF = 95, MG = 0

Réponse

Repère D: MD = 225 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mmax = 12,94 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 = 5·6,5 = 32,5 kN, appliquée en x̄ = 3,25 m
ΣMA = 0: RB·5 = 5·6,5·3,25
RB = 105,6/5 = 21,13 kN
ΣFy = 0: RA = 32,5 − 21,13 = 11,38 kN

Effort tranchant nul

RA − w·x0 = 0 → x0 = 11,38/5 = 2,275 m

Moment positif maximal

Mmax = RA·x0 − w·x0²/2 = RA²/(2w) = 11,38²/(2·5) = 12,94 kN·m

Réponse

Mmax = 12,94 kN·m
5.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FAC = 2,813 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.

ABBCACACB15 kNAy​Cy​

Réactions d’appui

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

ΣMA = 0: Cy·4 = 15·3 → Cy = 11,25 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − 11,25 = 3,75 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 = −11,25/0,9701 = −11,6 kN
ΣFx = 0: −FAC − FBC·cos γ = 0 → FAC = −(−11,6)·0,2425 = 2,813 kN

Réponse

FAC = 2,813 kN (traction)
6.Treillis : méthode des nœuds

Réponse: FBC = −52,7 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.

ABBCACACB55 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·8 = 55·7 + 5·3 → Cy = 50 kN
ΣFy = 0: Ay = 55 − 50 = 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −50/0,9487 = −52,7 kN

Réponse

FBC = −52,7 kN (compression)
7.Flèche d’une poutre

Réponse: δ = 2,375 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, w = 2 N/mm, L = 2000 mm
EI = 3,2 × 10¹³ N·mm²

Chaque charge seule

δP = PL³/(3EI) = 27000·2000³/(3·3,2 × 10¹³) = 2,25 mm
δw = wL⁴/(8EI) = 2·2000⁴/(8·3,2 × 10¹³) = 0,125 mm

Les additionner

δ = 2,25 + 0,125 = 2,375 mm

Réponse

δ = 2,375 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: δmax = 14,97 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 = 29000 N, b = 2500 mm, L = 6000 mm
EI = 8,4 × 10¹² N·mm²

Position du maximum

En annulant la rotation dans le tronçon le plus long, on obtient la position.

x = √((L² − b²)/3) = √((6000² − 2500²)/3) = 3149 mm

Flèche maximale

δmax = Pb(L² − b²)3/2/(9√3·EIL) = 14,97 mm

Réponse

δmax = 14,97 mm
9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 181,3 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 = 80·30³/12 = 180000 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 0,7·2000 = 1400 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·200000·180000/1400² = 181278 N = 181,3 kN

Réponse

Pcr = 181,3 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 56,65 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·60⁴/64 = 636173 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 2827 mm²
r = √(I/A) = √(636173/2827) = 15 mm
KL = 0,7·4000 = 2800 mm
KL/r = 2800/15 = 186,7

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/186,7² = 56,65 MPa

Réponse

σcr = 56,65 MPa

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