Cisaillement dans une poutre

Cisaillement dans une poutre

Comprendre le cisaillement dans une poutre

Vous êtes ingénieur en structure et vous devez analyser une poutre en acier simplement appuyée qui supporte une charge uniformément répartie ainsi que des charges concentrées.

L’objectif est de déterminer la contrainte de cisaillement maximale dans la poutre.

Pour comprendre la Déformation Axiale Due à la Température, cliquez sur le lien.

Données de l’Exercice

  • Longueur de la poutre, \( L = 6 \) mètres
  • Charge uniformément répartie, \( w = 5 \) kN/m
  • Charges concentrées : \( P_1 = 10 \) kN à 2 m du support gauche, \( P_2 = 15 \) kN à 4 m du support gauche
  • Largeur de la section transversale de la poutre, \( b = 150 \) mm
  • Hauteur de la section transversale de la poutre, \( h = 300 \) mm
  • La poutre est en acier avec une limite d’élasticité de 250 MPa
cisaillement dans une poutre

Questions:

1. Calcul des Réactions aux Appuis :

  • Déterminez les réactions aux appuis en considérant les charges appliquées.

2. Diagramme de Cisaillement :

  • Construisez le diagramme de cisaillement de la poutre. Identifiez les points où le cisaillement est maximal.

3. Calcul de la Contrainte de Cisaillement :

  • Utilisez la formule de cisaillement, \(\tau = \frac{VQ}{Ib}\), où \( V \) est la force de cisaillement, \( Q \) est le moment statique de la zone au-dessus du point d’intérêt, \( I \) est le moment d’inertie de la section transversale, et \( b \) est la largeur de la poutre. Calculez la contrainte de cisaillement maximale dans la poutre.

4. Vérification de la Sécurité :

  • Comparez la contrainte de cisaillement maximale trouvée avec la limite d’élasticité de l’acier.
  • Vérifiez si la poutre est sûre pour les charges données.

Correction : cisaillement dans une poutre

1. Calcul des Réactions aux Appuis

Étape 1: Équilibre vertical

\[R_A + R_B = wL + P_1 + P_2\]
\[ = (5\,\text{kN/m} \times 6\,\text{m}) + 10\,\text{kN} + 15\,\text{kN} \] \[ = 30\,\text{kN} + 25\,\text{kN} \] \[ = 55\,\text{kN} \]

Étape 2: Moment autour d’un des appuis (disons autour de A)

\[R_B \times L = w \times \frac{L}{2} \times L + P_1 \times 2\,\text{m} + P_2 \times 4\,\text{m}\] \[R_B \times 6\,\text{m} = 5\,\text{kN/m} \times 3\,\text{m} \times 6\,\text{m} + 10\,\text{kN} \times 2\,\text{m} + 15\,\text{kN} \times 4\,\text{m}\] \[R_B = \frac{90 + 20 + 60}{6}\,\text{kN}\] \[R_B = \frac{170}{6}\,\text{kN}\] \[R_B \approx 28.33\,\text{kN}\]

Réaction à A:

\[R_A = 55\,\text{kN} – 28.33\,\text{kN} = 26.67\,\text{kN}\]

2. Diagramme de Cisaillement de la Poutre

De 0 à 2 m (Entre l’appui A et la charge \(P_1\)

  • Au point A (0 m), le cisaillement commence à \(V = R_A = 26.67\, \text{kN}\).
  • À une distance \(x\) (où \(0 < x < 2\, \text{m}\)) de l’appui A, la charge répartie qui a agi jusqu’à ce point est \(w \times x = 5\, \text{kN/m} \times x\).
  • Le cisaillement à ce point est donc
    \[ V(x) = R_A – w \times x \]\[ V(x) = 26.67\, \text{kN} – 5\, \text{kN/m} \times x.\]

À 2 m, avant l’application de \(P_1\), le cisaillement sera
\[ V(2) = 26.67\, \text{kN} – 5\, \text{kN/m} \times 2\, \text{m} \] \[ V(2) = 26.67\, \text{kN} – 10\, \text{kN} \] \[ V(2)  = 16.67\, \text{kN}.
\]

À 2 m (Effet de la charge \(P_1\))

Juste après l’application de la charge \(P_1\), le cisaillement chute de 10 kN. Donc, à 2 m, juste après \(P_1\), le cisaillement est de

\[ = 16.67\, \text{kN} – 10\, \text{kN} = 6.67\, \text{kN}.
\]

De 2 m à 4 m

De la même manière, entre 2 m et 4 m, le cisaillement continue de diminuer linéairement à cause de la charge répartie. À 4 m, avant \(P_2\), il sera

\[ = 6.67\, \text{kN} – 5\, \text{kN/m} \times 2\, \text{m} \] \[ = 6.67\, \text{kN} – 10\, \text{kN} = -3.33\, \text{kN} \]

À 4 m (Effet de la charge \(P_2\))

Juste après l’application de la charge \(P_2\), le cisaillement chute de 15 kN. Donc, à 4 m, juste après \(P_2\), le cisaillement est de

\[ = -3.33\, \text{kN} – 15\, \text{kN} \] \[ = -18.33\, \text{kN} \]

De 4 m à 6 m

Entre 4 m et 6 m, le cisaillement continue de diminuer linéairement jusqu’à l’appui B. À l’appui B (6 m), le cisaillement est

\[ = -18.33\, \text{kN} – 5\, \text{kN/m} \times 2\, \text{m} \] \[ = -18.33\, \text{kN} – 10\, \text{kN} \] \[ = -28.33\, \text{kN}, \]

ce qui correspond à la réaction en B.

Résumé et Implications pour le Diagramme de Cisaillement

Le diagramme commence à \(+26.67\, \text{kN}\) à l’appui A, descend linéairement jusqu’à \(+16.67\, \text{kN}\) à 2 m, puis chute brusquement à \(+6.67\, \text{kN}\).

Il continue de descendre linéairement jusqu’à \(-3.33\, \text{kN}\) à 4 m, puis chute brusquement à \(-18.33\, \text{kN}\). Finalement, il continue à descendre linéairement jusqu’à \(-28.33\, \text{kN}\) à l’appui B.

3. Calcul de la Contrainte de Cisaillement

Moment d’inertie (I) de la section transversale rectangulaire:

\begin{align*}
I &= \frac{bh^3}{12} \end{align*} \begin{align*}
I & = \frac{0.15 \, \text{m} \times (0.3 \, \text{m})^3}{12} \end{align*} \begin{align*}
I & \approx 0.0003375 \, \text{m}^4
\end{align*}

Moment statique (Q) pour la hauteur maximale (au centre de la poutre):

\begin{align*}
Q &= A’ \times y’ \end{align*} \begin{align*}
Q & = \frac{bh}{2} \times \frac{h}{4} \end{align*} \begin{align*}
Q & = \frac{0.15 \, \text{m} \times 0.3 \, \text{m}}{2} \times \frac{0.3 \, \text{m}}{4} \end{align*} \begin{align*}
Q & \approx 0.003375 \, \text{m}^3
\end{align*}

Contrainte de cisaillement maximale (\(\tau_{\text{max}}\)) au point de cisaillement maximal (par exemple, à l’appui A):

\begin{align*}
\tau_{\text{max}} &= \frac{V_{\text{max}} Q}{Ib} \end{align*}

\[ \tau_{\text{max}} = \frac{26.67 \times 10^3 \, \text{N} \times 0.003375 \, \text{m}^3}{0.0003375 \, \text{m}^4 \times 0.15 \, \text{m}} \] \begin{align*}
\tau_{\text{max}} & \approx 1.67 \, \text{MPa}
\end{align*}

4. Vérification de la Sécurité

La contrainte de cisaillement maximale est \(\tau_{\text{max}} = 1.67 \, \text{MPa}\), qui est bien inférieure à la limite d’élasticité de l’acier de 250 MPa.

Par conséquent, la poutre est considérée comme sûre sous ces charges.

Cisaillement dans une poutre

cisaillement dans une poutre

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 de la contrainte de flexion

Calcul de la contrainte de flexion Comprendre le Calcul de la contrainte de flexion Un ingénieur en génie civil doit concevoir une poutre en acier pour soutenir un plancher dans un bâtiment commercial. La poutre doit supporter une charge uniformément répartie...

Déformation de Différentes Sections Transversales

Déformation de Différentes Sections Transversales Comprendre la Déformation de Différentes Sections Transversales Un projet de construction d'un petit pont piétonnier en milieu urbain. Ce pont doit supporter à la fois son propre poids et la charge des piétons. Nous...

Propriétés mécaniques des matériaux

Propriétés Mécaniques des Matériaux Contexte sur les propriétés mécaniques des matériaux Vous êtes un ingénieur travaillant sur la conception d'une poutre pour un petit pont. La poutre est faite d'un acier standard, et elle doit supporter une charge uniformément...

Cercle de Mohr : Exercice – Corrigé

Cercle de Mohr : Exercice - Corrigé Contexte de calcul Une poutre est soumise à des contraintes plane. À un certain point de cette poutre, les contraintes normales sur les faces horizontales et verticales sont \( \sigma_x = 8 \text{ MPa} \) et \( \sigma_y = 4 \text{...

Réactions d’Appui et Efforts Internes

Réactions d'Appui et Efforts Internes Comprendre les Réactions d'Appui et Efforts Internes Considérons une poutre encastrée-libre d'une longueur L = 6 m. La poutre est soumise à une charge uniformément répartie q = 2 kN/m sur toute sa longueur, ainsi qu'à une charge...

Calculer la variation de longueur des poutres

Calculer la variation de longueur des poutres Comprendre comment Calculer la variation de longueur des poutres Considérons une passerelle métallique utilisée pour le passage piétonnier au-dessus d'une voie ferrée. La passerelle est soutenue par deux poutres en acier...

Charge Critique de Flambement

Charge Critique de Flambement Comprendre la Charge Critique de Flambement Dans une entreprise de construction, un ingénieur doit concevoir une colonne verticale légère qui supportera une charge axiale. La colonne est en acier avec un module d'élasticité E de 200 GPa....

Torsion dans une Poutre en T

Torsion dans une Poutre en T Comprendre la Torsion dans une Poutre en T Vous êtes un ingénieur en structure chargé de concevoir un élément de support en forme de T pour une installation industrielle. Cette poutre en T sera soumise à un moment de torsion dû aux...

Méthode des Nœuds pour un Treillis

Méthode des Nœuds pour un Treillis Comprendre la Méthode des Nœuds pour un Treillis Considérons un treillis plan en forme de triangle, composé de trois nœuds et trois éléments (barres). Le treillis est fixé au sol à l'un de ses nœuds (nœud A) et est supporté par un...

Calcul de la torsion d’un poteau

Calcul de la torsion d'un poteau Comprendre le Calcul de la torsion d'un poteau Un ingénieur en génie civil doit concevoir un poteau de soutien pour un pont. Ce poteau doit être capable de résister à des moments de torsion générés par les forces du vent et les charges...