Contrainte Maximale dans un Poteau en Béton Armé
Contexte : Pourquoi vérifier les contraintes en service ?
Le dimensionnement principal d'une structure en béton armé se fait à l'État Limite Ultime (ELU) pour garantir sa non-rupture. Cependant, il est tout aussi crucial de s'assurer que la structure se comporte bien dans des conditions d'utilisation normales. C'est le rôle des vérifications à l'État Limite de Service (ELS). L'une des vérifications ELS fondamentales est de s'assurer que la contrainte de compressionForce de compression interne par unité de surface, exprimée en Mégapascals (MPa). dans le béton ne dépasse pas une certaine limite. Une compression excessive pourrait entraîner des déformations irréversibles (fluage) et une fissuration préjudiciable à la durabilité de l'ouvrage.
Remarque Pédagogique : Cet exercice vous guidera dans la vérification de la contrainte maximale de compression dans un poteau en béton armé soumis à un effort normal et un moment de flexion (flexion composée). Nous utiliserons la méthode de la section homogénéisée, qui est la méthode standard de l'Eurocode 2 pour les calculs à l'ELS.
Objectifs Pédagogiques
- Comprendre la différence entre les vérifications à l'ELU et à l'ELS.
- Appliquer la méthode de la section homogénéisée pour un calcul ELS.
- Calculer les propriétés (aire, inertie) d'une section homogénéisée.
- Déterminer la position de l'axe neutre en flexion composée.
- Calculer la contrainte maximale de compression dans le béton (\(\sigma_{c}\)).
- Comparer la contrainte de calcul à la contrainte admissible et conclure.
Données de l'étude
Section du poteau et sollicitations ELS
- Poteau : section rectangulaire \(b \times h = 30 \, \text{cm} \times 50 \, \text{cm}\)
- Béton : Classe C25/30 (\(f_{\text{ck}} = 25 \, \text{MPa}\))
- Module d'élasticité à long terme : \(E_{\text{c,eff}} = E_{\text{cm}} / (1+\varphi) \approx 10000 \, \text{MPa}\)
- Acier : nuance S500 B (\(f_{\text{yk}} = 500 \, \text{MPa}\))
- Module d'élasticité : \(E_s = 200000 \, \text{MPa}\)
- Armatures : 6 barres HA 16 (\(A_s = 12.06 \, \text{cm}^2\) au total), réparties en 3 barres sur chaque face.
- Enrobage des aciers : \(c = 4 \, \text{cm}\), distance de l'axe des aciers à la paroi \(d' = 5 \, \text{cm}\).
- Sollicitations à l'ELS (quasi-permanent) :
- Effort normal de compression : \(N_{\text{ser}} = 800 \, \text{kN}\)
- Moment fléchissant : \(M_{\text{ser}} = 120 \, \text{kN} \cdot \text{m}\)
- Contrainte admissible en compression pour le béton à l'ELS : \(\bar{\sigma}_{\text{bc}} = 0.6 \cdot f_{\text{ck}}\)
Questions à traiter
- Calculer les caractéristiques de la section de béton homogénéisée.
- Déterminer la position de l'axe neutre.
- Calculer la contrainte maximale de compression dans le béton (\(\sigma_{c}\)).
- Comparer la contrainte à la limite admissible et conclure.
Correction : Contrainte Maximale dans un Poteau en Béton Armé
Question 1 : Calculer les caractéristiques de la section de béton homogénéisée
Principe avec image animée (le concept physique)
Pour un calcul de contraintes à l'ELS, on considère que le béton et l'acier travaillent ensemble de manière élastique. Comme ils n'ont pas le même module d'élasticité (l'acier est beaucoup plus rigide), on ne peut pas appliquer directement les formules de RDM. La méthode consiste à créer une section "fictive" composée uniquement de béton. Pour cela, on remplace les armatures en acier par une surface équivalente de béton, capable de reprendre le même effort. Cette surface équivalente est obtenue en multipliant la surface d'acier par le coefficient d'équivalence \(\alpha_e = E_s / E_{c,eff}\).
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La section homogénéisée est une astuce de calcul qui permet de se ramener à un problème de RDM classique sur un matériau unique (le béton). L'aire d'acier \(A_s\) est remplacée par une aire de béton fictive \((\alpha_e - 1)A_s\). On utilise \((\alpha_e - 1)\) car l'emplacement des aciers était déjà occupé par du béton qu'il ne faut pas compter deux fois. Cette section homogène a une aire \(A_{\text{hom}}\) et une inertie \(I_{\text{hom}}\) qui tiennent compte de la contribution des aciers à la rigidité de l'ensemble.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Point Clé : Pour les calculs de contraintes à l'ELS, on utilise le module d'élasticité effectif du béton \(E_{\text{c,eff}}\) qui tient compte du fluage (déformation différée sous charge constante). C'est pourquoi le coefficient \(\alpha_e\) est souvent plus élevé que le simple rapport des modules instantanés.
Normes (la référence réglementaire)
La méthode de la section homogénéisée pour les calculs à l'ELS est décrite dans l'Eurocode 2, section 7.2. Les contraintes limites sont données dans la section 7.2 (2) et (3).
Hypothèses (le cadre du calcul)
On suppose une adhérence parfaite entre le béton et l'acier. On néglige la résistance du béton tendu dans le calcul de l'inertie, mais on le conserve pour le calcul de l'aire et du centre de gravité (section entièrement comprimée ou partiellement tendue non fissurée).
Formule(s) (l'outil mathématique)
Coefficient d'équivalence :
Aire de la section homogénéisée :
Moment d'inertie de la section homogénéisée :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- \(b=300 \, \text{mm}\), \(h=500 \, \text{mm}\)
- \(E_s = 200000 \, \text{MPa}\), \(E_{\text{c,eff}} = 10000 \, \text{MPa}\)
- \(A_s = 1206 \, \text{mm}^2\)
- Distance des aciers au centre de gravité : \(d_1 = h/2 - d' = 250 - 50 = 200 \, \text{mm}\)
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul du coefficient d'équivalence :
Calcul de l'aire de la section brute et homogénéisée :
Calcul de l'inertie de la section brute et homogénéisée :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
Les aciers, bien que de faible surface, augmentent la rigidité en flexion (l'inertie) de près de 30%. C'est cette rigidité accrue qui va aider à limiter les déformations et les contraintes.
Point à retenir : A l'ELS, on calcule les contraintes sur une section homogénéisée où l'acier est remplacé par une surface équivalente de béton.
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Cette étape est fondamentale pour pouvoir utiliser les formules classiques de la RDM sur une section composite béton + acier.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Oublier le terme \((\alpha_e - 1)\) : Utiliser simplement \(\alpha_e\) au lieu de \((\alpha_e - 1)\) est une erreur qui revient à compter deux fois le béton qui se trouve à l'emplacement des armatures.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer : Quelle serait l'inertie homogénéisée (en \(10^9 \text{mm}^4\)) si on utilisait 6 HA 20 (\(A_s = 18.85 \, \text{cm}^2\)) ?
Question 2 : Déterminer la position de l'axe neutre
Principe avec image animée (le concept physique)
En flexion composée, l'axe neutre est la ligne où les contraintes sont nulles. Sa position dépend de l'équilibre entre les efforts de compression et de traction. Cependant, dans notre cas, la section du poteau est symétrique (béton et aciers). L'effort normal \(N_{ser}\) et le moment \(M_{ser}\) sont appliqués au centre de gravité de cette section homogénéisée. Par conséquent, l'axe neutre pour la flexion pure coïncide avec le centre de gravité de la section. La contrainte due à la compression simple se superposera à celle de la flexion.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
Si la section n'était pas symétrique (par exemple, une section en T ou avec des aciers asymétriques), il faudrait calculer la position du centre de gravité de la section homogénéisée. L'effort normal serait alors appliqué avec une excentricité par rapport à ce nouveau centre de gravité, et c'est par rapport à ce dernier que l'on calculerait les contraintes de flexion.
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Point Clé : Le fait que la section soit symétrique simplifie grandement les calculs. Dans la pratique, de nombreux éléments (poteaux rectangulaires, poutres en I) sont conçus symétriquement pour cette raison.
Normes (la référence réglementaire)
Le calcul de la position de l'axe neutre découle des principes de base de la Résistance des Matériaux, qui sont le fondement des méthodes de calcul de l'Eurocode.
Hypothèses (le cadre du calcul)
On se base sur la double symétrie de la section (géométrie et ferraillage) par rapport à ses axes principaux.
Formule(s) (l'outil mathématique)
Position du centre de gravité pour une section rectangulaire :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- Hauteur du poteau \(h = 500 \, \text{mm}\)
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul de la position de l'axe neutre :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
L'axe neutre étant au centre de la section, les fibres extrêmes (supérieure et inférieure) sont à la même distance de cet axe. La contrainte due au moment sera donc de même amplitude (mais de signe opposé) sur ces deux fibres.
Point à retenir : Pour une section symétrique avec des sollicitations centrées, l'axe neutre passe par le centre de gravité.
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Il est indispensable de connaître la position de l'axe neutre car c'est à partir de cette ligne que l'on mesure la distance (\(y\)) pour calculer la contrainte de flexion en tout point de la section.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Appliquer cette simplification à une section non symétrique : Si le poteau était en L ou si les aciers étaient différents en haut et en bas, l'axe neutre ne serait plus au centre géométrique. Il faudrait le calculer en résolvant l'équation du moment statique de la section homogénéisée.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer : Si le poteau était circulaire, où se situerait l'axe neutre ?
Question 3 : Calculer la contrainte maximale de compression dans le béton (\(\sigma_{c}\))
Principe avec image animée (le concept physique)
La contrainte en un point quelconque est la superposition de deux effets : une compression uniforme due à l'effort normal (\(\sigma_N = N_{ser}/A_{hom}\)) et une contrainte variant linéairement due au moment fléchissant (\(\sigma_M = M_{ser} \cdot y / I_{hom}\)). La contrainte maximale de compression se produit sur la fibre la plus comprimée, là où ces deux effets s'additionnent.
Mini-Cours (approfondissement théorique)
La formule de Navier (\(\sigma = N/A + My/I\)) est la pierre angulaire de ce calcul. Le terme \(N/A\) représente la contrainte uniforme de compression due à l'effort normal \(N_{ser}\). Le terme \(My/I\) représente la contrainte de flexion, qui varie linéairement sur la hauteur de la section. Il est crucial de superposer correctement les effets de chaque moment (celui des charges et celui, bénéfique, de la précontrainte excentrée).
Remarque Pédagogique (le conseil du professeur)
Point Clé : Cette étape est une simple application de la définition d'une contrainte : une force divisée par une surface. La difficulté des étapes précédentes était de définir correctement la force (\(V_{Ed}\)) et la surface (\(u_1 \cdot d\)) à prendre en compte.
Normes (la référence réglementaire)
La formule de calcul de la contrainte de cisaillement \(v_{Ed}\) est donnée dans l'Eurocode 2, section 6.4.3 (2), formule (6.38).
Hypothèses (le cadre du calcul)
On continue de supposer un effort tranchant non majoré par les moments (\(\beta = 1.0\)). Si ce n'était pas le cas, la formule serait \(v_{Ed} = \beta \frac{V_{Ed}}{u_1 d}\).
Formule(s) (l'outil mathématique)
Contrainte maximale de compression dans le béton :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- \(N_{\text{ser}} = 800 \, \text{kN} = 800000 \, \text{N}\)
- \(M_{\text{ser}} = 120 \, \text{kN} \cdot \text{m} = 120 \times 10^6 \, \text{N} \cdot \text{mm}\)
- \(A_{\text{hom}} = 172914 \, \text{mm}^2\)
- \(I_{\text{hom}} = 4.042 \times 10^9 \, \text{mm}^4\)
- Distance à la fibre la plus comprimée \(y_{\text{max}} = h/2 = 250 \, \text{mm}\)
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul de la contrainte due à l'effort normal :
Calcul de la contrainte due au moment fléchissant :
Calcul de la contrainte totale maximale :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La contrainte maximale de cisaillement que le béton doit supporter sur le périmètre critique est de 0.794 MPa. Cette valeur, en elle-même, ne signifie rien. Tout l'enjeu de la prochaine étape sera de la comparer à la résistance intrinsèque du béton au cisaillement.
Point à retenir : La contrainte de cisaillement agissante est l'effort tranchant divisé par l'aire du périmètre critique (\(u_1 \cdot d\)).
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Il est nécessaire de transformer l'effort global \(V_{Ed}\) en une contrainte locale \(v_{Ed}\) pour pouvoir la comparer à la résistance du matériau, qui est elle-même exprimée en contrainte (MPa).
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Incohérence des unités : C'est l'erreur la plus fréquente. Si \(V_{Ed}\) est en kN et les dimensions en mm, le résultat sera en GPa, ce qui est absurde. Convertissez toujours \(V_{Ed}\) en N pour obtenir des MPa.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer : Quelle serait la contrainte \(v_{Ed}\) (en MPa) si l'effort \(V_{Ed}\) était de 800 kN ?
Question 4 : Comparer la contrainte à la limite admissible et conclure
Principe avec image animée (le concept physique)
C'est l'étape de la vérification finale. On compare la contrainte maximale calculée (\(\sigma_{c,max}\)) à la contrainte de compression admissible pour le béton à l'ELS (\(\bar{\sigma}_{bc}\)). Si la contrainte calculée est inférieure ou égale à la limite, la section est considérée comme acceptable en service. Sinon, la section doit être redimensionnée (augmenter les dimensions ou la qualité du béton).
Formule(s) (l'outil mathématique)
Contrainte admissible en compression :
Condition de vérification :
Donnée(s) (les chiffres d'entrée)
- \(\sigma_{c,max} = 12.05 \, \text{MPa}\)
- \(f_{ck} = 25 \, \text{MPa}\)
Calcul(s) (l'application numérique)
Calcul de la contrainte admissible :
Vérification :
Réflexions (l'interprétation du résultat)
La contrainte maximale dans le béton est inférieure à la limite autorisée. Le poteau est donc correctement dimensionné pour les charges de service. Il dispose d'une marge de sécurité d'environ 25% par rapport à la limite ELS, ce qui est confortable.
Point à retenir : La vérification ELS de la compression du béton est satisfaite si \(\sigma_{c,max} \le 0.6 \cdot f_{ck}\).
Justifications (le pourquoi de cette étape)
Cette vérification finale garantit la durabilité de l'élément en prévenant les déformations excessives et irréversibles (fluage) qui pourraient se produire si le béton était trop comprimé en permanence.
Points de vigilance (les erreurs à éviter)
Confondre les limites ELS et ELU : La limite de 0.6 \(f_{ck}\) est spécifique à l'ELS. À l'ELU, la contrainte de calcul du béton est différente (\(f_{cd} = \alpha_{cc} f_{ck} / \gamma_c\)) et est utilisée dans un diagramme contrainte-déformation non linéaire.
Le saviez-vous ? (la culture de l'ingénieur)
À vous de jouer : La condition serait-elle encore vérifiée si le moment \(M_{ser}\) était de 150 kNm ?
Mini Fiche Mémo : Vérification des Contraintes ELS
Étape | Formule Clé & Objectif |
---|---|
1. Homogénéisation | \( A_{\text{hom}} = A_b + (\alpha_e-1)A_s \) Créer une section fictive en béton équivalent. |
2. Axe Neutre | Pour les sections symétriques, il passe par le centre de gravité. Définir l'axe de rotation pour la flexion. |
3. Contrainte Max | \( \sigma_{\text{c,max}} = N_{\text{ser}}/A_{\text{hom}} + M_{\text{ser}} \cdot y_{\text{max}} / I_{\text{hom}} \) Calculer la contrainte par superposition des efforts. |
4. Vérification | \( \sigma_{\text{c,max}} \le 0.6 f_{\text{ck}} \) Comparer la contrainte agissante à la limite admissible. |
Outil Interactif : Influence des Charges
Modifiez l'effort normal et le moment fléchissant pour voir leur impact sur la contrainte maximale dans le béton.
Paramètres
Résultats
Le Saviez-Vous ?
Les colonnes du Parthénon à Athènes, bien que non armées, ont une forme galbée (entasis) qui n'est pas seulement esthétique. Cette forme suit les lignes de compression et rend la colonne visuellement plus droite et structurellement plus stable sous charge.
Que se passe-t-il si la section est entièrement tendue ?
Si l'effort normal est un effort de traction, ou si le moment est si grand que la fibre la moins comprimée devient tendue, on considère que le béton ne participe plus à la reprise des efforts de traction. Le calcul devient alors différent : on ne prend en compte que les aciers tendus et le béton comprimé au-dessus de l'axe neutre.
Pourquoi utiliser le module d'élasticité effectif du béton ?
Le béton "flue", c'est-à-dire qu'il continue de se déformer lentement au fil du temps même si la charge ne change pas. Le module effectif \(E_{\text{c,eff}}\) est un module réduit qui prend en compte cet effet de fluage pour les charges de longue durée, ce qui est le cas des vérifications à l'ELS quasi-permanent.
Quiz Final : Testez vos connaissances
1. La vérification des contraintes à l'ELS a pour but principal de garantir :
2. Si on augmente l'effort normal de compression \(N_{ser}\) (sans changer le moment), la contrainte maximale de compression va :
- État Limite de Service (ELS)
- État au-delà duquel les critères d'utilisation normale d'une structure ne sont plus satisfaits (déformations, vibrations, fissuration).
- Flexion Composée
- Sollicitation combinée d'un effort normal (compression ou traction) et d'un moment fléchissant sur une section.
- Section Homogénéisée
- Section transversale fictive, composée d'un seul matériau (généralement le béton), dont les propriétés (aire, inertie) sont équivalentes à celles de la section composite réelle (béton + acier).
- Fluage
- Déformation différée d'un matériau soumis à une contrainte constante au fil du temps. Particulièrement significatif pour le béton.
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