Calcul des Contraintes Principales

Calcul des Contraintes Principales

Comprendre le calcul des Contraintes Principales

Dans un projet de construction d’un pont, les ingénieurs doivent évaluer la sécurité de la structure sous différentes charges.

Un élément structurel clé, une poutre en acier, est soumis à des contraintes dues à la charge du trafic et aux conditions environnementales.

Pour comprendre l’Analyse des Contraintes par le Cercle de Mohr, cliquez sur le lien.

Données

  • Dimensions de la poutre : Longueur = 10 m, Largeur = 0.3 m, Hauteur = 0.5 m.
  • Matériau : Acier, avec une limite d’élasticité de 250 MPa.
  • Charge appliquée : 5000 N répartis uniformément sur toute la longueur de la poutre.
  • Contraintes supplémentaires dues aux conditions environnementales : 20 MPa en traction et 15 MPa en cisaillement.
  • Coordonnées des contraintes dans le système global : \(
    \sigma_x = 30 \, \text{MPa}, \quad \sigma_y = -20 \, \text{MPa}, \quad \tau_{xy} = 10 \, \text{MPa}.
    \)

Questions:

Déterminer les contraintes principales (\(\sigma_1\) et \(\sigma_2\)) et les directions principales dans la poutre.

Correction : calcul des Contraintes Principales

Étape 1 : Calcul des Contraintes dues à la Charge Appliquée

La charge appliquée est de 5000 N répartis uniformément sur la longueur de la poutre (10 m). Nous calculons d’abord la contrainte normale due à cette charge.

  • L’aire de la section transversale de la poutre est:

\[
A = \text{largeur} \times \text{hauteur} \] \[
A = 0.3 \, m \times 0.5 \, m \] \[
A = 0.15 \, m^2.
\]

  • La contrainte normale due à la charge appliquée est:

\[
\sigma = \frac{\text{Force}}{\text{Aire}} = \frac{5000 \, N}{0.15 \, m^2} \] \[
\sigma = 33333.33 \, \text{Pa} = 33.33 \, \text{MPa}.
\]

Étape 2 : Ajout des Contraintes Environnementales

Les contraintes environnementales données sont 20 MPa en traction et 15 MPa en cisaillement. Ainsi, les contraintes totales dans le système global sont :

\[
\sigma_x = 30 \, \text{MPa} + 33.33 \, \text{MPa} \] \[
\sigma_x = 63.33 \, \text{MPa}
\]
\[
\sigma_y = -20 \, \text{MPa}
\]
\[
\tau_{xy} = 10 \, \text{MPa} + 15 \, \text{MPa} \] \[
\tau_{xy} = 25 \, \text{MPa}
\]

Étape 3 : Utilisation des Équations de Transformation des Contraintes

Les équations de transformation ne sont pas nécessaires dans cet exercice car les contraintes sont déjà données dans le système global.

Étape 4 : Calcul des Contraintes Principales

Les contraintes principales \(\sigma_1\) et \(\sigma_2\) sont données par :

\[\sigma_1, \sigma_2 = \frac{\sigma_x + \sigma_y}{2} \pm \sqrt{\left( \frac{\sigma_x – \sigma_y}{2} \right)^2 + \tau_{xy}^2}\]

Avec les valeurs données :
\begin{align*}
\sigma_x &= 63.33 \, \text{MPa} \\
\sigma_y &= -20 \, \text{MPa} \\
\tau_{xy} &= 25 \, \text{MPa}
\end{align*}

1. Calcul de la Moyenne des Contraintes (\(\sigma_{\text{avg}}\))

La moyenne des contraintes (\(\sigma_{\text{avg}}\)) est la moyenne arithmétique de \(\sigma_x\) et \(\sigma_y\).

\[
\sigma_{\text{avg}} = \frac{\sigma_x + \sigma_y}{2} \] \[
\sigma_{\text{avg}} = \frac{63.33 – 20}{2} \] \[
\sigma_{\text{avg}} = \frac{43.33}{2} = 21.665 \, \text{MPa}
\]

2. Calcul de \(R\)

\(R\) est la racine carrée de la somme du carré de la moitié de la différence entre \(\sigma_x\) et \(\sigma_y\), et du carré de \(\tau_{xy}\).

\[
R = \sqrt{\left( \frac{\sigma_x – \sigma_y}{2} \right)^2 + \tau_{xy}^2} \] \[
R = \sqrt{\left( \frac{63.33 + 20}{2} \right)^2 + 625} \] \[
R = \sqrt{2083.33 + 625} \] \[
R = 48.59 \, \text{MPa}
\]

3. Calcul des Contraintes Principales (\(\sigma_1\) et \(\sigma_2\))

Les contraintes principales sont calculées en ajoutant et soustrayant \(R\) de \(\sigma_{\text{avg}}\).

\[ \sigma_1 = \sigma_{\text{avg}} + R \] \[ \sigma_1 = 21.665 + 48.59 \] \[ \sigma_1 = 70.25 \, \text{MPa} \]
\[ \sigma_2 = \sigma_{\text{avg}} – R \] \[ \sigma_1 = 21.665 – 48.59 \] \[ \sigma_2 = -26.92 \, \text{MPa}
\]

Contrainte principale 1: \[ (\sigma_1) = 70.25 \text{ MPa} \]

Contrainte principale 2: \[ (\sigma_2) = -26.92 \text{ MPa} \]

Étape 5 : Détermination des Angles des Directions Principales

Les angles des directions principales \((\theta_p)\) par rapport à l’axe global sont donnés par la formule suivante :

\[
\tan(2\theta_p) = \frac{2\tau_{xy}}{\sigma_x – \sigma_y}
\]

où \(\sigma_x\) et \(\sigma_y\) sont les contraintes normales dans les directions x et y, respectivement, et \(\tau_{xy}\) est la contrainte de cisaillement.

L’angle de la direction principale par rapport à l’axe global \(\theta_p\) = 15.48°

Vérification de la Sécurité

  • La contrainte principale la plus élevée est 70.25 MPa, ce qui est bien en dessous de la limite d’élasticité de l’acier (250 MPa). Cela indique que sous les charges et conditions données, la poutre est en sécurité et ne risque pas de dépasser sa limite d’élasticité.

Conclusion

  • Les résultats montrent que la poutre peut supporter les charges et contraintes appliquées sans risque de défaillance structurelle.
  • L’angle de 15.48° indique l’orientation des contraintes principales par rapport à l’axe global, une information cruciale pour la conception et l’analyse détaillée de la structure.
  • Cette analyse aide les ingénieurs à comprendre le comportement de la structure sous charge et à prendre des décisions éclairées concernant la conception et la sécurité du pont.

Calcul des Contraintes Principales

D’autres exercices de Rdm:

Chers passionnés de génie civil,

Nous nous efforçons constamment d’améliorer la qualité et l’exactitude de nos exercices sur notre site. Si vous remarquez une erreur mathématique, ou si vous avez des retours à partager, n’hésitez pas à nous en informer. Votre aide est précieuse pour perfectionner nos ressources. Merci de contribuer à notre communauté !

Cordialement, EGC – Génie Civil

0 commentaires

Soumettre un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Calcul du Moment Quadratique d’une Poutre

Calcul du Moment Quadratique d'une Poutre Comprendre le Calcul du Moment Quadratique d'une Poutre Une entreprise de construction doit installer une poutre en acier pour soutenir une partie du toit d'un petit entrepôt. La poutre, de forme rectangulaire, est positionnée...

Calcul du Rayon de Giration

Calcul du Rayon de Giration Comprendre le Calcul du Rayon de Giration Dans le cadre de la conception d'un pont piétonnier, il est essentiel d'analyser la stabilité des piliers en acier qui soutiendront le tablier. Le calcul du rayon de giration des sections...

Caractéristiques Géométriques de Sections

Caractéristiques Géométriques de Sections Comprendre le calcul des Caractéristiques Géométriques de Sections Dans le cadre de la conception d'une poutre pour un pont piétonnier, il est nécessaire de déterminer les caractéristiques géométriques de la section...

Calcul du Centre de Gravité d’une Poutre

Calcul du Centre de Gravité d'une Poutre Comprendre le Calcul du Centre de Gravité d'une Poutre Dans le cadre de la conception d'une structure métallique légère pour une nouvelle installation sportive, un ingénieur doit déterminer le centre de gravité d'une poutre en...

Calcul de la Flèche en Mi-Travée d’une Poutre

Calcul de la Flèche en Mi-Travée d'une Poutre Comprendre le Calcul de la Flèche en Mi-Travée d'une Poutre Une poutre en acier, simplement appuyée aux deux extrémités, est soumise à une charge uniformément répartie. L'objectif est de calculer la flèche maximale à...

Calcul de l’effort tranchant dans une poutre

Calcul de l'effort tranchant dans une poutre Comprendre le Calcul de l'effort tranchant dans une poutre Vous êtes un ingénieur en charge de la conception d'un pont destiné à un trafic léger dans une zone urbaine. Vous devez vérifier la capacité d'une poutre du pont à...

Calcul du Moment Fléchissant Maximal

Calcul du Moment Fléchissant Maximal Comprendre le Calcul du Moment Fléchissant Maximal Considérez une poutre en acier de longueur \(L = 6\) mètres, avec une extrémité encastrée et l'autre extrémité libre. Cette poutre est soumise à une charge uniformément répartie de...

Calcul du Facteur de Sécurité

Calcul du Facteur de Sécurité d’une Poutre Comprendre le calcul du facteur de sécurité d'une poutre Vous êtes ingénieur en structure et devez vérifier la sécurité d'une poutre en acier dans une construction. Le but de cet exercice est de déterminer le facteur de...

Déformation Axiale Due à la Température

Déformation Axiale Due à la Température Comprendre la Déformation Axiale Due à la Température Un ingénieur civil doit concevoir un pylône de transmission électrique qui traverse une région soumise à des variations de température extrêmes. Le pylône est constitué d'une...

Contrainte et Raccourcissement dans une Poutre

Contrainte et Raccourcissement dans une Poutre Comprendre la Contrainte et Raccourcissement dans une Poutre Vous êtes ingénieur dans une entreprise de construction et vous devez analyser l'intégrité structurelle d'une poutre utilisée dans la construction d'un pont. La...