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
w0​ = 4 kN/mP = 80 kNABRB​ = ?7 m1 m

La poutre sur deux appuis (articulation en A, appui simple en B) porte une charge linéairement variable qui décroît de 4 kN/m en A jusqu’à zéro en B. Une charge ponctuelle P agit aussi à 7 m de A. Trouvez la réaction d’appui verticale RB.

L = 8 mw0 = 4 kN/mP = 80 kN à 7 m
RB = kN
2.Réactions d’appui des poutresDifficile
P = 20 kNADCMA​ = ?5 m1 m4 m

Une poutre composée est encastrée dans le mur en A, comporte une articulation interne en C (à 5 m de A) et repose sur un appui simple en D (à 10 m de A). Elle porte une charge ponctuelle P à 6 m de A. Trouvez la valeur absolue du moment d’encastrement MA au mur.

AC = 5 mAD = 10 mP = 20 kN à 6 m
MA = kN·m
3.Effort tranchant et moment fléchissantMoyen
8 kN/m60 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.

60 kN @ 8 m8 kN/m, 4–8 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 = 4 kN/mP = 50 kNABcoupe1,5 m4,5 m

Trouvez le moment fléchissant Mx dans la section x = 1,5 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 = 6 mP = 50 kN à 1,5 mw = 4 kN/m de 0 à 6 mx = 1,5 m
Mx = kN·m
5.Treillis : méthode des nœudsMoyen
ABCDEFGH10 kN4 × 4 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.

G: 10 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 BG
  13. 13barre DG
6.Treillis : méthode des nœudsDifficile
ABBCACACB10 kN25 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 = 10 kNcharge horizontale = 25 kN ←
FBC = kN
7.Flèche d’une poutreMoyen
w = 5 kN/mδL = 3 m

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

w = 5 kN/mL = 3 mE = 200 GPa (acier)I = 23 × 10⁶ mm⁴
δ = mm
8.Flèche d’une poutreDifficile
w = 4 kN/mABδ4 m

Une poutre en bois sur deux appuis, de section rectangulaire de 125 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 = 4 kN/mL = 4 mE = 11 GPa (bois de structure)b = 125 mm
hreq = mm
9.Flambement des poteauxMoyen
PL = 3 m25 × 50 mmsection

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

L = 3 mE = 70 GPa (aluminium)b × h = 25 × 50 mm
Pcr = kN
10.Flambement des poteauxDifficile
PL = 2 md = 60 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 = 2 mE = 200 GPa (acier)d = 60 mm
σcr = MPa

3Solutions

1.Réactions d’appui des poutres

Réponse: RB = 75,33 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 = ½·4·8 = 16 kN
x̄ = L/3 = 2,667 m

Équilibre

Moments par rapport à A, positifs dans le sens antihoraire. Puis équilibre des forces verticales.

ΣMA = 0: RB·8 = 16·2,667 + 80·7
RB = 75,33 kN
RA = 96 − 75,33 = 20,67 kN

Réponse

RB = 75,33 kN
2.Réactions d’appui des poutres

Réponse: MA = 80 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.

ΣMC = 0: RD·5 = 20·1
RD = 4 kN
VC = 20 − 4 = 16 kN

Partie AC

L’effort de l’articulation VC agit vers le bas sur AC (égal et opposé à son action sur CD).

RA = 16 = 16 kN
MA = 16·5 = 80 kN·m

Réponse

MA = 80 kN·m
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 kN, R2 = 56 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 = 72, MC = 144, MD = 200, ME = 224 kN·m, MF = 112, MG = 0

Réponse

Repère E: ME = 224 kN·m
4.Effort tranchant et moment fléchissant

Réponse: Mx = 69,75 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 = 4·6 = 24 kN, appliquée en x̄ = 3 m
ΣMA = 0: RB·6 = 50·1,5 + 4·6·3
RB = 147/6 = 24,5 kN
ΣFy = 0: RA = 74 − 24,5 = 49,5 kN
w = 4 kN/mP = 50 kNABRA​ = 49,5RB​ = 24,5coupe1,5 m4,5 m

Couper en x = 1,5 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 = 49,5·1,5 − 4·1,5·0,75 = 69,75 kN·m

Réponse

Mx = 69,75 kN·m
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 C

BC et CD 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: 5 kN (T), BC: 10 kN (T), CD: 10 kN (T), DE: 5 kN (T), FG: 5 kN (C), GH: 5 kN (C), AF: 7,071 kN (C), HE: 7,071 kN (C), BF: 5 kN (T), CG: 0, DH: 5 kN (T), BG: 7,071 kN (C), DG: 7,071 kN (C)

Réponse

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

Réponse: FBC = 0,6588 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 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 = 10·7 − 25·3 → Cy = −0,625 kN
ΣFy = 0: Ay = 10 − −0,625 = 10,63 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 = 3/3,162 = 0,9487, cos γ = 1/3,162 = 0,3162
ΣFy = 0: Cy + FBC·sin γ = 0 → FBC = −−0,625/0,9487 = 0,6588 kN

Réponse

FBC = 0,6588 kN (traction)
7.Flèche d’une poutre

Réponse: δ = 11,01 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 = 3000 mm
EI = 4,6 × 10¹² N·mm²

Flèche

δ = wL⁴/(8EI) = 5·3000⁴/(8·4,6 × 10¹²) = 11,01 mm

Réponse

δ = 11,01 mm
8.Flèche d’une poutre

Réponse: hreq = 218,8 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 = 4 N/mm, L = 4000 mm, E = 11000 N/mm²

Flèche admissible

δallow = L/360 = 4000/360 = 11,11 mm

Moment quadratique nécessaire

Ireq = 5wL⁴/(384·E·δallow) = 5·4·4000⁴/(384·11000·11,11) = 1,091 × 10⁸ mm⁴

Hauteur requise

bh³/12 = Ireq → h = (12·1,091 × 10⁸/125)1/3 = 218,8 mm

Réponse

hreq = 218,8 mm

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

9.Flambement des poteaux

Réponse: Pcr = 4,998 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 = 50·25³/12 = 65104 mm⁴

Longueur de flambement

KL = 1·3000 = 3000 mm

Charge critique

Pcr = π²EI/(KL)² = π²·70000·65104/3000² = 4998 N = 4,998 kN

Réponse

Pcr = 4,998 kN
10.Flambement des poteaux

Réponse: σcr = 27,76 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 = 2·2000 = 4000 mm
KL/r = 4000/15 = 266,7

Contrainte critique

σcr = π²E/(KL/r)² = π²·200000/266,7² = 27,76 MPa

Réponse

σcr = 27,76 MPa

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