Calculer les charges, contraintes, déformations

Comprendre les charges, contraintes et déformations

Imaginez une poutre en acier simplement appuyée aux deux extrémités. Cette poutre est soumise à une charge uniformément répartie (charge distribuée) ainsi qu’à une charge ponctuelle située au milieu de sa longueur.

Données

• Longueur de la poutre, \( L \): 6 mètres.
• Module d’élasticité de l’acier, \( E \): 200 GPa (GigaPascals).
• Moment d’inertie de la section de la poutre, \( I \): \( 4 \times 10^{-6} \, \text{m}^4 \).
• Charge uniformément répartie, \( q \): 5 kN/m (kiloNewtons par mètre).
• Charge ponctuelle, \( P \): 10 kN (kiloNewtons), appliquée au milieu de la poutre.

Questions:

1. Calculer la réaction aux appuis.
2. Déterminer la position et la valeur de la contrainte maximale dans la poutre.
3. Calculer la déformation maximale de la poutre.

Remarques

• Considérez que la poutre est dans un régime élastique linéaire, c’est-à-dire que la loi de Hooke est applicable.
• Les calculs doivent tenir compte des unités correctes et de leur conversion si nécessaire.

Correction : les charges, contraintes et déformations

1. Calcul des réactions aux appuis

Données :

• Longueur de la poutre, \(L\): 6 mètres.
• Charge uniformément répartie, \(q\): 5 kN/m.
• Charge ponctuelle, \(P\): 10 kN, appliquée au milieu de la poutre.

Réactions aux appuis :

• La charge totale due à la distribution uniforme est

\[q \times L = 5 \text{ kN/m} \times 6 \text{ m} = 30 \text{ kN}\]

• La réaction aux appuis pour une poutre simplement appuyée sous une charge uniformément répartie et une charge ponctuelle appliquée au centre est équitablement répartie.

Ainsi, avec \(P = 10 \text{ kN}\) ajouté, le total des charges est

\[30 \text{ kN} + 10 \text{ kN} = 40 \text{ kN}\]

• Les réactions aux appuis sont

\[R_A = R_B = \frac{40 \text{ kN}}{2} = 20 \text{ kN}\]

2. Calcul de la contrainte maximale

Moment fléchissant maximal (\(M_{max}\)) :

Le moment fléchissant maximal se produit sous la charge ponctuelle. On calcule ce moment par

\[M_{max} = R_A \times \frac{L}{2} – \frac{1}{2} \times q \times \left(\frac{L}{2}\right)^2\]

En substituant les valeurs :

\[M_{max} = 20 \text{ kN} \times 3 \text{ m} – \frac{1}{2} \times 5 \text{ kN/m} \times (3 \text{ m})^2 \] \[M_{max} = 60 \text{ kN} \cdot \text{m} – 22.5 \text{ kN} \cdot \text{m} \] \[M_{max} = 37.5 \text{ kN} \cdot \text{m}\]

Contrainte maximale (\(\sigma_{max}\)) :

Pour calculer la contrainte maximale (\(\sigma_{max}\)) en laissant la hauteur de la section de la poutre comme une variable, nous utilisons l’équation de la contrainte dans une section en flexion :

\[\sigma_{max} = \frac{M_{max} \cdot y}{I}\]

où :

• \(M_{max} = 37.5 \, \text{kN} \cdot \text{m}\) est le moment fléchissant maximal,
• \(y\) est la distance de l’axe neutre à la fibre la plus éloignée, que nous considérons comme \(\frac{h}{2}\) avec \(h\) étant la hauteur de la section de la poutre,
• \(I\) est le moment d’inertie de la section de la poutre, pour lequel l’expression standard pour un rectangle est \(\frac{1}{12}bh^3\), où \(b\) est la largeur de la section de la poutre. Puisque \(I\) est donné comme \(4 \times 10^{-6} \, \text{m}^4\), nous continuerons avec cette valeur directement.

Substituons ces valeurs dans l’équation de la contrainte maximale :

\[\sigma_{max} = \frac{37.5 \times 10^3 \cdot \frac{h}{2}}{4 \times 10^{-6}}\]

Calculons \(\sigma_{max}\) en fonction de \(h\).

La contrainte maximale (\(\sigma_{max}\)) en laissant la hauteur de la section de la poutre comme une variable \(h\) est :

\[\sigma_{max} = 4687500000 \cdot h \, \text{Pa}\]

Cela signifie que la contrainte maximale est proportionnelle à la distance \(y\) (demi-hauteur de la section de la poutre, ici simplifiée par \(h\)) et s’exprime en Pascals (Pa).

Cette relation vous permet d’évaluer la contrainte maximale pour n’importe quelle valeur spécifique de \(h\), en gardant à l’esprit que \(h\) est la hauteur totale de la section de la poutre.

3. Calcul de la déformation maximale

Déformation due à la charge uniformément répartie (\(\delta_q\)) :

\[\delta_q = \frac{5}{384} \times \frac{q \times L^4}{E \times I}\] \[ \delta_q = \frac{5}{384} \times \frac{5 \times 10^3 \times 6^4}{200 \times 10^9 \times 4 \times 10^{-6}} \] \[ \delta_q = 0.10547 \, \text{m} = 105.47 \, \text{mm} \]

Déformation due à la charge ponctuelle (\(\delta_P\)) :

\[\delta_P = \frac{P \times L^3}{48 \times E \times I} \] \[ \delta_P = \frac{10 \times 10^3 \times 6^3}{48 \times 200 \times 10^9 \times 4 \times 10^{-6}} \] \[ \delta_P = 0.05625 \, \text{m} = 56.25 \, \text{mm} \]

Déformation totale (\(\delta_{total}\)) :

La déformation totale est la somme des déformations dues à la charge uniformément répartie et à la charge ponctuelle :

\[\delta_{total} = \delta_q + \delta_P \] \[\delta_{total} = 105.47 \text{ mm} + 56.25 \text{ mm} \] \[\delta_{total} = 161.72 \text{ mm}\]

Charges, contraintes et déformations

D’autres exercices de Rdm :

• Contraintes et déformations en traction
• Calcul de la Déformation Élastique