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CT57 (année scolaire 2001/2002) RÉSISTANCE DES MATÉRIAUX Contraintes - Déformations Dimensionnement de structures simples JM CHATEL 1 Résistance des matériaux 1 - Les états limites 2 - Loi de comportement de l ’acier 3 - Dimensionnement d ’une barre soumise à de la traction 4 - Dimensionnement d ’une barre soumise à de la compression 5 - Dimensionnement d ’une poutre soumise à de la flexion simple 6 - Dimensionnement d ’une poutre soumise à de la flexion déviée 7 - Dimensionnement d ’une poutre soumise à de la flexion composée 8 - Équation de la déformée - Théorie du flambement 2 1 - ÉTATS LIMITES 1.1 Convention de notation Les charges fixes (permanentes) seront désignées par la lettre : G (charge répartie en kN/m²) g (charge linéïque en kN/ml) Les charges variables seront désignées par la lettre : Q (charge répartie en kN/m²) q (charge linéïque en kN/ml) 3 1 - ÉTATS LIMITES 1.2 État limite ultime (ELU ) Il met en cause la sécurité des personnes (limite avant rupture de la structure) CAPACITÉ RÉSISTANTE > EFFORTS INTERNES Majoration des charges Combinaison (ELU) : Pu = 1,35 . G + 1,5 . Q pu = 1,35 . g + 1,5 . q 4 1 - ÉTATS LIMITES 1.3 État limite de service (ELS ) Il est lié aux conditions normales d ’exploitation et de durabilité (limite avant arrêt d ’exploitation) Exemple : limitation de la flèche prise par une poutre supportant un pont roulant Combinaison (ELS) : Pserv = G + Q pserv = g + q 5 2 - LOI DE COMPORTEMENT DE L ’ACIER L ’essai de traction (1/3) La loi de comportement de l ’acier est obtenue par la réalisation d ’un essai de traction sur une éprouvette cylindrique. Surface : A=.R² L F F L L Au cours de cet essai, il est possible de définir deux grandeurs : [MN/m² = MPa] =F /A = L / L [MN] [m²] (appelée contrainte) (allongement relatif ou déformation relative) [exprimé en o/oo] [m] [m] 6 2 - LOI DE COMPORTEMENT DE L ’ACIER L ’essai de traction (2/3) en MPA Tronçon OA : Phase élastique linéaire C A B D Allongements proportionnels aux efforts appliqués E O en o\ OO E (pente de la droite) module d ’YOUNG pour de l ’acier courant E = 210 000 MPa =E. [MPa] [MPa] [o/oo] 7 2 - LOI DE COMPORTEMENT DE L ’ACIER L ’essai de traction (3/3) en MPA Tronçon AB : Palier plastique C e A B D E O Déformation permanente en Allongement sous effort constant Relâchement de l ’effort o\ Déformation permanente OO Le domaine élastique linéaire est délimité par : e = 240 MPa (contrainte limite élastique pour des aciers courants) 8 3 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA TRACTION (1/3) Nu Répartition uniforme de l ’effort sur toute la surface Coupe fictive Mise en évidence d ’une contrainte uniforme : = Nu / A x Nu Remarque : Pondéré ELU L ’effort Nu à considérer, correspond à l ’effort normal déterminé à l ’endroit de la coupure. 9 3 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA TRACTION Équation d ’équarrissage (2/3) Le matériau devant travailler dans son domaine élastique, le dimensionnement consistera donc à adapter la section de la pièce de façon à ce que : Nu = Nu / A e(traction) x Remarque : Par convention, nous considérerons que les contraintes de traction seront négatives (harmonisation avec le béton armé) Nu 10 3 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA TRACTION Exemple - Dimensionnement d ’un tirant P (3/3) C La barre B-C est en traction B A Données complémentaires : Effort normal maximum Numax = 0,2 MN (20 tonnes) La barre B-C sera en acier courant : E = 210 000 Mpa e = 240 MPa Question : Dimensionner la barre B-C 11 4 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA COMPRESSION 4.0 - Remarque préliminaire En faisant subir à une éprouvette d ’acier un effort croissant de compression, nous obtenons une courbe inverse à celle observée avec l ’essai de traction ( sans tenir compte des problèmes de flambement). TRACTION e (traction) E en o\OO E e (compression) COMPRESSION en MPA e (compression) = e (traction) = 240 ou 360 MPa (aciers classiques en CM) 12 4 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA COMPRESSION 4.1 - Principales étapes Pour des éléments de structure soumis à de la compression (Nu0, Mu=0 et Vu=0), il y a lieu de mener deux calculs : 1 - Dimensionnement fonction de la contrainte limite (en adoptant les coefficients de majoration sur les charges définies aux ELU). 2 - Vérification au flambement (en adoptant les coefficients de majoration sur les charges définies aux ELU). 13 4 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA COMPRESSION 4.2 - Dimensionnement à la contrainte limite Démarche identique à celle suivie dans le cas de la traction (au signe prêt travailler en valeur absolue) = Nu / A e(compression) 14 4 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA COMPRESSION (1/2) 4.3 - Vérification au flambement L ’effort normal (N) doit être inférieur à l ’effort normal critique défini par EULER, à savoir : Nu < Nk avec Nk = ² . E . A (maxi)² = ² . E . Imini (Lf)² E : module d ’YOUNG (Mpa) avec A : surface de la pièce (m²) maxi : élancement mécanique maximum (sans dimension) 15 4 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA COMPRESSION (2/2) 4.3 - Vérification au flambement Élancement mécanique : maxi = Lf longueur de flambement (fonction des conditions aux appuis) i mini Rayon de giration minimum = Imini A Longueur de flambement : Lo : longueur libre Lo Lf = Lo Lo Lf = 0,7 Lo Lo Lf = 0,5 Lo Lo Lf = 2 Lo 16 4 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA COMPRESSION 4.4 - Exemple Données complémentaires : P Effort normal maximum Numax = 0,2 MN (20 tonnes) B A La barre B-C sera en acier courant : E = 210 000 Mpa h = 4,00 m C e = 240 MPa Questions : 1 - Dimensionner à la contrainte limite la barre B-C 2 - Vérifier au flambement l ’élément calculé 3 - Proposer un autre choix de profilé si le premier n ’est pas satisfaisant 17 5 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION SIMPLE 5.1 - Principales étapes Pour des éléments de structure soumis à de la flexion simple (Nu= 0, Mu 0, Vu 0, Nserv= 0, Mserv 0 et Vserv 0), il y a lieu de mener deux calculs : 1 - Dimensionnement fonction de la contrainte limite (en adoptant les coefficients de majoration sur les charges définies aux ELU). 2 - Vérification des flèches limites (aux ELS c ’est à dire sans majoration des charges). 18 5 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION SIMPLE 5.2 - Dimensionnement à la contrainte limite aux ELU (1/4) Le principe de vérification est toujours le même, à savoir : min(traction) max(compression) e (traction) e (compression) (Pour les zones tendues) (Pour les zones comprimées) La première étape consiste donc à connaître : - la min(traction) - la max(compression) 19 5 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION SIMPLE 5.2 - Dimensionnement à la contrainte limite aux ELU (2/4) Rappel : Répartition des contraintes dans une section droite soumise à un effort normal de compression Nu Nu Coupure fictive Les sections droites se « rapprochent », la déformation () est identique quelque soit le point considéré de la section. Répartition uniforme des contraintes = Nu / A 20 5 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION SIMPLE 5.2 - Dimensionnement à la contrainte limite aux ELU (3/4) Répartition des contraintes dans uns section droite soumise à de la flexion simple (Mu 0, Vu 0 et N = 0) : P Les sections droites « pivotent », la déformation () varie linéairement dans le sens de la hauteur de la poutre. Coupure fictive Répartition bi-triangulaire des contraintes 21 5 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION SIMPLE 5.2 - Dimensionnement à la contrainte limite aux ELU (4/4) Répartition des contraintes dans uns section droite soumise à de la flexion simple (Mu 0, Vu 0 et N = 0) : Par définition, la contrainte existante pour la fibre d ’altitude z est égale à : (z) = z zmax= h/2 h y’ En compression Mu y ’y max = Mu min = Mu y ’y .z . zmax > 0 y zmin= - h/2 z’ En traction y ’y . zmin 22 <0 5 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION SIMPLE 5.3 - Vérification des flèches limites aux ELS La vérification de la structure étudiée vis à vis de la flèche est une étape primordiale. Permet de s ’assurer que le bâtiment pourra être utilisé sans problème dans le cas d ’un chargement habituel (sans pondération des charges). Condition à vérifier : f < f f : flèches calculées aux ELS en utilisant les formules de la RDM f : flèches admissibles définies par la réglementation 23 5 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION SIMPLE 5.4 - Exemple d ’application Étude d ’une poutre console supportant un auvent de gare : Schéma mécanique : q = 100 daN/m g = 20 daN/m B A 2/3 L F = 100 daN L = 3,00 m Questions : 1 - Calculer le moment fléchissant et l ’effort tranchant maxi en A 2 - Dimensionner aux ELU la poutre A-B (contrainte limite = 240 Mpa) 3 - Calculer la flèche maximum au point B et la comparer avec la flèche limite ( f = L/200) 4 - Proposer un nouveau profilé si cela est nécessaire 24 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.1 - Définition Flexion déviée (1/2) La poutre est chargée suivant deux directions z pZ z pz py py y x Coupe verticale de la poutre 25 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.1 - Définition (2/2) z pZ z pz py py y x Flèche suivant l ’axe z Charge pz Moment fléchissant My (mobilise l ’inertie Iy) Compression Répartition bi-triangulaire des contraintes dans le sens de la hauteur de la poutre Flèche suivant l ’axe y Charge py Moment fléchissant Mz (mobilise l ’inertie Iz) Répartition bi-triangulaire des contraintes dans le sens de la largeur de la poutre Traction 26 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.2 - Principales étapes du dimensionnement ou de la vérification (1/2) Composition des diagrammes de contraintes : pz z Fibre étant la plus sollicitée en compression Compression Traction y z y z Fibre étant la plus sollicitée en traction py Compression y Traction 27 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.2 - Principales étapes du dimensionnement ou de la vérification (2/2) Le principe de dimensionnement est le même que celui adopté dans le cas de la flexion simple. La difficulté réside dans le fait qu ’il faut raisonner dans les deux directions y et z du profilé (N= 0, My 0, Vy 0, Mz 0 et Vz 0). 1 - Dimensionnement ou vérification fonction de la contrainte limite (en adoptant les coefficients de majoration sur les charges définies aux ELU). 2 - Dimensionnement ou vérification en fonction des flèches limites (aux ELS c ’est à dire sans majoration des charges). 28 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.3 - Dimensionnement ou vérification à la contrainte limite aux ELU (1/2) Cas particulier : Section possédant deux axes de symétrie min(traction) Compression z max(compression) < e = pz Cette condition se traduit de la façon suivante : py max = y Traction Soit max = Muy y Muy Wy . zmax + + Muz Wz Mu z . ymax z max < e Rappel : Wy et Wz correspondent aux modules d ’inertie de la section considérée ( Wy = Iy / | zmax | et Wz = Iz / | ymax | ) 29 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.3 - Dimensionnement ou vérification à la contrainte limite aux ELU Remarque : Muy Wy + Muz Wz (2/2) < e 1 - Les grandeurs Wy et Wz étant indépendantes mathématiquement l ’une de l ’autre, le dimensionnement du profilé passe obligatoirement par une phase itérative (sauf cas particuliers). 2 - Si les caractéristiques Wy et Wz du profilé sont connues (dimensionnement préalable fonction de la flèche limite), la vérification à la contrainte est immédiate. 30 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.4 - Vérification ou dimensionnement fonction des flèches limites aux ELS Cette étape est dans la majorité des cas la plus contraignante Permet de s ’assurer que le bâtiment pourra être utilisé sans problème dans le cas d ’un chargement habituel (sans pondération des charges). Condition à vérifier : z ftotale < f p pz py y avec f totale = fy² + fz² Les valeurs fy et fz étant obtenues à partir des formulations RdM fy fz ftotale 31 (1/2) 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.4 - Vérification ou dimensionnement fonction des flèches limites aux ELS Déformations maximum des éléments fléchis : (poutres de chemins de roulement misent à part) Eléments d'ouvrage Déplacement maximum Toitures accessibles uniquement pour l'entretien L / 200 Toitures normalement accessibles L / 250 Planchers (sans équipement particulier) L / 250 Planchers et toitures supportant des matériaux fragiles L / 250 Planchers supportant des poteaux L / 400 Critère d'aspect du bâtiment L / 250 32 (2/2) 6 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION DÉVIÉE 6.5 - Exemple (dimensionnement d ’une panne) Données complémentaires : Poids couverture 36 daN/m² Charge de neige 45 daN/m² Acier : E = 210 000 Mpa e = 2,50 m e = 240 MPa Question : Proposer un dimensionnement économique pour les pannes Pente de la toiture = 20 % 33 7 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION COMPOSÉE 7.1 - Définition Flexion composée (1/2) L ’élément est soumis à : - un moment fléchissant (flexion), - un effort normal (compression). z z pZ pz N N x N Coupe verticale de la poutre 34 y 7 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION COMPOSÉE 7.1 - Définition (2/2) Composition des diagrammes de contraintes : pz max = My / Wy z Compression Traction max (compression) = y z Diagramme des déformations A + My Wy Diagramme des contraintes max (traction) = Compression N N N A - y max = N / A 35 My Wy 7 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION COMPOSÉE 7.2 - Méthode de vérification La vérification de ce type d ’élément de structure peut être obtenu directement par lecture directe sur abaques (résultats d ’essais). Méthode : 1 - Calcul de N (contrainte générée par l ’effort normal Nu), 2 - Calcul de F (contrainte générée par Mu), 3 - Calcul de l ’élancement mécanique , 4 - Vérification sur l ’abaque par lecture directe. Cette vérification revient également à résoudre l ’inéquation suivante : K1 . N + K2 . F < e 36 7 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION COMPOSÉE 7.3 - Exemple d ’application P Un premier dimensionnement du poteau B-C (sous l ’effet unique d ’un effort normal Numax = 0,2 MN) nous a conduit à retenir un HE 100 B. B v A h = 4,00 m C Ce profilé est-il toujours correctement dimensionné, si l ’on considère qu ’il reprend également une charge horizontale de vent ? v = 5,25 kN/m 37 7 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION COMPOSÉE 7.4 - Noyau central d ’une section (1/3) - un effort normal N Soit une section droite soumise à : - un moment fléchissant M M N e (excentricité) X G N Avec (e) tel que : e=M/N Ce schéma peut être remplacé par 38 7 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION COMPOSÉE 7.4 - Noyau central d ’une section (2/3) Le noyau central d ’un section correspond à la zone dans laquelle l ’effort N (excentré par rapport au centre de gravité) ne génère pas de contrainte de traction. max (compression) = N .e N A + Wy N e (excentricité) X G Diagramme de contraintes Axe neutre max (traction) = N.e N A - = 0 Wy 39 7 - DIMENSIONNEMENT D ’UNE BARRE SOUMISE À DE LA FLEXION COMPOSÉE 7.4 - Noyau central d ’une section (3/3) Exemple : Cas d ’un fondation rectangulaire soumise à un effort vertical excentré e Nu h X G G b Coupe verticale dans le sens de la largeur b A partir de quelle valeur (e), le sol n ’est-il plus entièrement comprimé sous l ’assise de la fondation ? 40 8 - ÉQUATION DE LA DÉFORMÉE - THÉORIE DU FLAMBEMENT (1/3) 8.1 - Équation de la déformée Considérons cette poutre isostatique : z z pz y x Charge appliquée suivant l’axe z Coupe verticale de la poutre Apparition : - d ’une flèche dans le sens de l ’axe z - d ’un moment fléchissant My(x) Les sections droites pivotent autour de l ’axe y, en mobilisant l ’inertie Iy 41 8 - ÉQUATION DE LA DÉFORMÉE - THÉORIE DU FLAMBEMENT (2/3) 8.1 - Équation de la déformée z z pz y x z(x) Coupe verticale de la poutre Par définition, l ’équation de la déformée est obtenue à partir de la formulation suivante : E . Iy . z’’(x) = My(x) 42 8 - ÉQUATION DE LA DÉFORMÉE - THÉORIE DU FLAMBEMENT (3/3) 8.1 - Équation de la déformée Exemple : z z pz z(x) y x Coupe verticale de la poutre 1 - Déterminer l ’expression de la déformée de cette poutre 2 - Déterminer l ’expression de la flèche maximum 43 8 - ÉQUATION DE LA DÉFORMÉE - THÉORIE DU FLAMBEMENT 8.2 - Théorie du flambement 44 QUESTIONS 1 - Pratique du calcul de structure ? 2 - Étapes suivies par un projeteur pour élaborer les plans d ’exécution d ’un ouvrage ? 45 1 - PRISE EN COMPTE ET ETUDE DE L ’ESQUISSE 46 2 - VALIDATION DU SYSTEME PORTEUR A CHAQUE ÉTAGE Vues en plan Coupes 47 3 - RECUEIL DES CONTRAINTES EXTÉRIEURES NEIGE (RÈGLE N84) VENT (RÈGLE NV65) Type de fondations ? Étude de sol obligatoire SÉISME RECOMMANDATIONS AFPS90 48 4 - RECUEIL DES CONTRAINTES INTERNES (1/2) A) Prise en compte des charges fixes Poids propre des éléments composant le bâtiment isolation+ étanchéité béton Régi par la norme NFP 06.001 Poids des équipements fixes Ex : machine outil 49 4 - RECUEIL DES CONTRAINTES INTERNES (2/2) B) Prise en compte des charges variables Fonction de l ’utilisation des locaux (ex : bureau, archives,…) Régi par la norme NFP 06.004 BOUM ! C) Prise en compte des contraintes réglementaires (acoustique, incendie,…) Nouvelle réglementation acoustique Règlements de sécurité incendie(ERP, habitation,…) 50 5 - MODÉLISATION DE LA STRUCTURE PORTEUSE STRUCTURE RÉELLE MODÉLISATION GLOBALE FILAIRE MODÉLISATION DE CHAQUE ÉLÉMENT CHARGE FIXE 51 6 - DESCENTE DE CHARGES ET CALCUL RDM MODÉLISATION ET IDENTIFICATION DES CHARGES CALCUL DE DESCENTE DE CHARGES EFFORTS ? AU SOL ? CALCUL DE RDM EFFORTS INTERNES 52 7 - PRISE EN COMPTE DES LOIS DE COMPORTEMENT DES MATÉRIAUX DÉTERMINATION DES LIMITES ACCEPTABLES (avant rupture ou limitation des déformations) POUR CHAQUE MATÉRIAU (ACIER, BÉTON, SOL, ….) 53 8 - VÉRIFICATION DE L ’ÉQUILIBRE GÉNÉRAL ET DIMENSIONNEMENT DE CHAQUE ÉLÉMENT COMPOSANT LA STRUCTURE CAPACITÉ RÉSISTANTE > EFFORTS INTERNES ! Coefficients de sécurité 54 9 - PLANS D ’EXÉCUTION RÉALISATION DE L ’OUVRAGE 55 QUESTIONS ? 56 BRAVO ! A bientôt pour de nouvelles aventures ! 57