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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
Tracez un diagramme du corps libre et remplacez chaque appui par ses réactions.
Remplacez chaque charge répartie par une force unique appliquée en son centre de gravité.
Prenez les moments par rapport à un appui pour trouver la réaction à l’autre.
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
Trouvez les réactions d’appui à partir de l’équilibre de la poutre entière.
Coupez la poutre à la section voulue et gardez un seul côté.
Effort tranchant : somme des forces verticales de ce côté. Moment fléchissant : somme de leurs moments par rapport à la coupure.
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
Trouvez les réactions d’appui du treillis entier.
Méthode des nœuds : commencez par un nœud avec au plus deux efforts inconnus dans les barres et utilisez ΣFx = 0 et ΣFy = 0.
Méthode des sections (de Ritter) : coupez la barre voulue et prenez les moments par rapport au point où se croisent les autres barres inconnues.
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
La poutre sur deux appuis (articulation en A, appui simple en B) porte une charge linéairement variable qui croît de zéro en A jusqu’à 20 kN/m en B. Une charge ponctuelle P agit aussi à 3,5 m de A. Trouvez la réaction d’appui verticale RA.
L = 5 mw0 = 20 kN/mP = 35 kN à 3,5 m
RA = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
Une poutre composée est encastrée dans le mur en A, comporte une articulation interne en C (à 2,5 m de A) et repose sur un appui simple en D (à 6 m de A). Elle porte une charge ponctuelle P à 5 m de A, une charge uniformément répartie w sur toute la partie CD et une charge ponctuelle Q à 1,5 m de A. Trouvez la valeur absolue du moment d’encastrement MA au mur.
AC = 2,5 mAD = 6 mP = 20 kN à 5 mw = 5 kN/m de 2,5 à 6 mQ = 55 kN à 1,5 m
MA = kN·m
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
La poutre sur deux appuis porte un couple M0 = 60 kN·m dans le sens horaire en x = 3 m à partir de A, et aucune autre charge. Trouvez le moment fléchissant Mx juste à droite 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 = 5 mM0 = 60 kN·m dans le sens horaire, en 3 m
Mx = kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissantDifficile
La poutre sur deux appuis porte une charge uniformément répartie sur une partie de sa portée. Trouvez la distance x0 entre A et la section où le moment fléchissant est maximal.
L = 8 mw = 20 kN/m de 0 à 7 m
x0 = m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
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: 25 kN ↓F: 35 kN ↓G: 20 kN ↓H: 30 kN ↓
1barre AB
2barre BC
3barre CD
4barre DE
5barre FG
6barre GH
7barre AF
8barre HE
9barre BF
10barre CG
11barre DH
12barre FC
13barre HC
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
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 = 4 mB est à 5 m de Acharge verticale = 15 kNcharge horizontale = 25 kN ←
FBC = kN
7.Flèche d’une poutreMoyen
Une poutre sur deux appuis porte une charge uniformément répartie w sur toute sa portée. Trouvez la rotation θA de la poutre à l’appui A, en radians.
w = 8 kN/mL = 6 mE = 70 GPa (aluminium)I = 57 × 10⁶ mm⁴
θA = rad
8.Flèche d’une poutreDifficile
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 = 12 kN/mL = 2,5 mE = 11 GPa (bois de structure)
Ireq = × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteauxMoyen
Un poteau de longueur L en aluminium est encastré aux deux extrémités. Avec la formule d’Euler, trouvez sa charge critique de flambement Pcr.
L = 1 mE = 70 GPa (aluminium)d = 20 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
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 mE = 70 GPa (aluminium)d = 40 mm
σcr = MPa
3Solutions
1.Réactions d’appui des poutres
Réponse: RA = 27,17 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.
Résultante de la charge triangulaire
W = ½·20·5 = 50 kN
x̄ = 2L/3 = 3,333 m
Équilibre
Moments par rapport à A, positifs dans le sens antihoraire. Puis équilibre des forces verticales.
ΣMA = 0: RB·5 = 50·3,333 + 35·3,5
RB = 57,83 kN
RA = 85 − 57,83 = 27,17 kN
Réponse
RA = 27,17 kN
2.Réactions d’appui des poutres
Réponse: MA = 118,7 kN·m
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. Une articulation interne ne peut pas transmettre de moment fléchissant, ce qui donne une équation supplémentaire : le moment par rapport à l’articulation des forces de chaque côté est nul.
Partie CD
L’articulation ne transmet pas de moment, donc les moments par rapport à C sur la seule partie CD doivent s’équilibrer.
W = 5·3,5 = 17,5 kN à 1,75 m depuis C
ΣMC = 0: RD·3,5 = 20·2,5 + 17,5·1,75
RD = 23,04 kN
VC = 37,5 − 23,04 = 14,46 kN
Partie AC
L’effort de l’articulation VC agit vers le bas sur AC (égal et opposé à son action sur CD).
RA = 55 + 14,46 = 69,46 kN
MA = 55·1,5 + 14,46·2,5 = 118,7 kN·m
Réponse
MA = 118,7 kN·m
3.Effort tranchant et moment fléchissant
Réponse: Mx = 24 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 = 60/5 = 12 kN (vers le haut)
RA = −RB = −12 kN (vers le bas)
Coupure juste à droite du couple
La partie gauche contient maintenant RA et le couple.
Mx = RA·a + M0 = −12·3 + 60 = 24 kN·m
Réponse
Mx = 24 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant
Réponse: x0 = 3,938 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 = 20·7 = 140 kN, appliquée en x̄ = 3,5 m
ΣMA = 0: RB·8 = 20·7·3,5
RB = 490/8 = 61,25 kN
ΣFy = 0: RA = 140 − 61,25 = 78,75 kN
Effort tranchant nul
L’effort tranchant part de RA, reste constant sur toute partie non chargée et décroît avec une pente w à l’intérieur de la charge.
RA − w·(x0 − 0) = 0
x0 = 0 + 78,75/20 = 3,938 m
Réponse
x0 = 3,938 m
5.Treillis : méthode des nœuds
Réponse: barre DH
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 D
CD et DE sont sur une même droite et le nœud ne porte aucune charge. L’équilibre des forces perpendiculairement à cette droite ne laisse que DH.
ΣF⊥ = 0 → FDH = 0
Vérification avec la méthode des nœuds
La résolution de tous les nœuds donne ces efforts dans les barres (T = traction, C = compression).
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.
Réactions d’appui
Équilibre de tout le treillis. Moments par rapport à A, positifs dans le sens antihoraire.
ΣMA = 0: Cy·6 = 15·5 − 25·4 → Cy = −4,167 kN
ΣFy = 0: Ay = 15 − −4,167 = 19,17 kN
ΣFx = 0: Ax = 25 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
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). La rotation θ = dv/dx est la première intégrale de M/(EI) ; en unités cohérentes, elle s’obtient en radians.
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 = 8 N/mm, L = 6000 mm
EI = 3,99 × 10¹² N·mm²
Rotation en bout
θA = wL³/(24EI) = 8·6000³/(24·3,99 × 10¹²) = 0,01805 rad
Réponse
θA = 0,01805 rad
Soit 1,034°.
8.Flèche d’une poutre
Réponse: Ireq = 79,9 × 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 = 2500/360 = 6,944 mm
Moment quadratique nécessaire
I = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·12·2500⁴/(384·11000·6,944) = 7,99 × 10⁷ mm⁴
Ireq = 79,9 × 10⁶ mm⁴
Réponse
Ireq = 79,9 × 10⁶ mm⁴
9.Flambement des poteaux
Réponse: Pcr = 21,7 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.
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.