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​ = 15 kNP2​ = 25 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 RA.

L = 10 mP1 = 15 kN à 1 mP2 = 25 kN à 8 m
RA = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
w = 4 kN/mP = 30 kNABRA​ = ?RB​7 m1 m1 m1 m

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

L = 10 mP = 30 kN à 7 mw = 4 kN/m de 8 à 9 m
RA = kN
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
30 kN50 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.

30 kN @ 4 m50 kN @ 8 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 = 6 kN/mP = 25 kNABcoupe3 m2 m

Trouvez le moment fléchissant Mx dans la section x = 3 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 = 25 kN à 3 mw = 6 kN/m de 0 à 5 mx = 3 m
Mx = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABCDEFGH20 kN30 kN15 kN35 kN15 kN4 × 4 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.

C: 20 kN ↓D: 30 kN ↓F: 15 kN ↓G: 35 kN ↓H: 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
ABCDEFGH20 kN40 kN25 kN25 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.

D: 20 kN ↓G: 40 kN ↓H: 25 kN ↓H: 25 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
7.Flèche d’une poutreMoyen
w = 5 kN/mδL = 5 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 = 5 kN/mL = 5 mE = 70 GPa (aluminium)I = 12 × 10⁶ mm⁴
δmax = mm
8.Flèche d’une poutreDifficile
w = 2 kN/mABδ6 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/300. Trouvez la hauteur minimale hreq de la section.

w = 2 kN/mL = 6 mE = 11 GPa (bois de structure)b = 150 mm
hreq = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 3 m20 × 60 mmsection

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

L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 20 × 60 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 1,5 md = 40 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 = 1,5 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa

3Solutions

1.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 18,5 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​ = 15 kNP2​ = 25 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 = 15·1 + 25·8
RB = 215/10 = 21,5 kN
ΣFy = 0: RA = 40 − 21,5 = 18,5 kN

Réponse

RA = 18,5 kN
2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RA = 9,6 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 = 4 kN/mP = 30 kNABRA​RB​7 m1 m1 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 = 4·1 = 4 kN, appliquée en x̄ = 8,5 m
ΣMA = 0: RB·10 = 30·7 + 4·1·8,5
RB = 244/10 = 24,4 kN
ΣFy = 0: RA = 34 − 24,4 = 9,6 kN

Réponse

RA = 9,6 kN
3.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: E (x = 8 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 = 36,67 kN, R2 = 43,33 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 = 73,33, MC = 146,7, MD = 160, ME = 173,3 kN·m, MF = 86,67, MG = 0

Réponse

Repère E: ME = 173,3 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = 48 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 = 6·5 = 30 kN, appliquée en x̄ = 2,5 m
ΣMA = 0: RB·5 = 25·3 + 6·5·2,5
RB = 150/5 = 30 kN
ΣFy = 0: RA = 55 − 30 = 25 kN
w = 6 kN/mP = 25 kNABRA​ = 25RB​ = 30coupe3 m2 m

Couper en x = 3 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 = 25·3 − 6·3·1,5 = 48 kN·m

Réponse

Mx = 48 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: 66,67 kN (T), BC: 66,67 kN (T), CD: 86,67 kN (T), DE: 86,67 kN (T), FG: 113,3 kN (C), GH: 113,3 kN (C), AF: 83,33 kN (C), HE: 108,3 kN (C), BF: 0, CG: 35 kN (C), DH: 30 kN (T), FC: 58,33 kN (T), HC: 33,33 kN (T)

Réponse

Barre à effort nul: BF
6.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: 12,5 kN (T), BC: 12,5 kN (T), CD: 47,5 kN (T), DE: 47,5 kN (T), FG: 75 kN (C), GH: 75 kN (C), AF: 53,03 kN (C), HE: 67,18 kN (C), BF: 0, CG: 40 kN (C), DH: 20 kN (T), FC: 53,03 kN (T), HC: 3,536 kN (T)

Réponse

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

Réponse: δmax = 48,44 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 = 5 N/mm, L = 5000 mm
EI = 8,4 × 10¹¹ N·mm²

Flèche

δmax = 5wL⁴/(384EI) = 5·5·5000⁴/(384·8,4 × 10¹¹) = 48,44 mm

Réponse

δmax = 48,44 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: hreq = 230,7 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 = 2 N/mm, L = 6000 mm, E = 11000 N/mm²

Flèche admissible

δallow = L/300 = 6000/300 = 20 mm

Moment quadratique nécessaire

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·2·6000⁴/(384·11000·20) = 1,534 × 10⁸ mm⁴

Hauteur requise

bh³/12 = Ireq → h = (12·1,534 × 10⁸/150)1/3 = 230,7 mm

Réponse

hreq = 230,7 mm

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

9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 6,266 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 = 0,7·3000 = 2100 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·40000/2100² = 6266 N = 6,266 kN

Réponse

Pcr = 6,266 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 7,676 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·40⁴/64 = 125664 mm⁴

Rayon de giration et élancement

A = 1257 mm²
r = √(I/A) = √(125664/1257) = 10 mm
KL = 2·1500 = 3000 mm
KL/r = 3000/10 = 300

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·70000/300² = 7,676 MPa

Réponse

σcr = 7,676 MPa

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