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DatePar EGC
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Dossier Technique : Complexe Aquatique Municipal

Outil

DOSSIER TECHNIQUE N° STR-2024-B82

Vérification de l’équilibre des forces verticales

Mission de Contrôle Structurel (Phase EXE)
1. Contexte de la MissionPHASE : EXÉCUTION
📝 Situation du Projet et Enjeux Architecturaux

Le projet concerne la construction du nouveau Complexe Aquatique Municipal "L'Odyssée", un ouvrage d'envergure combinant des espaces ludiques, des bassins de compétition et des zones de bien-être. Ce bâtiment se distingue par une architecture audacieuse favorisant la lumière naturelle et les volumes ouverts. Cependant, cette conception architecturale impose des contraintes structurelles sévères, notamment au niveau du R+1, zone des Vestiaires VIP et de l'Espace Détente.

Vous intervenez en tant qu'Ingénieur Structure Expert au sein du bureau d'études "Omega Structure". Votre attention se porte spécifiquement sur la Poutre de Reprise PR-102. Cette poutre maîtresse en béton armé est un élément clé de la stabilité globale : elle assure la transition des charges entre la toiture végétalisée (via un poteau supérieur) et la structure porteuse inférieure. Située au-dessus du grand hall d'accueil, elle ne tolère aucune flèche excessive ni fissuration, pour des raisons esthétiques évidentes mais surtout pour garantir l'intégrité de l'étanchéité des bassins situés à proximité.

🎯
Votre Mission d'Expert :

Votre mission consiste à effectuer la vérification de l'équilibre statique externe de la poutre PR-102. Vous devez modéliser le système mécanique, calculer précisément les réactions aux appuis (les efforts transmis aux poteaux \( A \) et \( B \)) et démontrer formellement que le système est à l'équilibre strict sous les charges pondérées (ELU). Ce calcul est la première étape indispensable avant tout dimensionnement du ferraillage.

🏗️ VUE DE SITUATION : COMPLEXE AQUATIQUE - COUPE TECHNIQUE A-A
NIVEAU RDC - HALL ACCUEIL PR-102 TOITURE VÉGÉTALISÉE Poteau P2 CHARGE RÉPARTIE q (Dalle + Exploitation) PORTÉE L = 8.00 m a = 2.00 m APPUI A APPUI B
Structure Béton Armé
Charges d'Exploitation
Toiture Végétalisée
📌
Mise en Garde Technique :

"La poutre est située au-dessus d'une zone recevant du public (ERP). Le coefficient de sécurité sur les charges doit être strictement respecté. De plus, ne négligez pas l'excentricité de la charge P2 qui induit une forte dissymétrie dans la réaction des appuis. Un calcul erroné ici compromettrait la sécurité de tout le hall d'accueil."

2. Données Techniques de Référence

Pour mener à bien cette vérification, vous disposez des données issues du Cahier des Clauses Techniques Particulières (CCTP) et des plans de coffrage. Ces valeurs sont les entrées non négociables de votre modèle de calcul.

📚 Référentiel Normatif Applicable

Le dimensionnement doit respecter les standards européens de la construction :

Eurocode 0 (EN 1990) : Bases de calcul des structures Eurocode 2 (EN 1992-1-1) : Calcul des structures en béton
⚙️ Caractéristiques & Hypothèses de Chargement

La poutre PR-102 est une poutre en béton armé de section rectangulaire (30x60 cm). Elle repose sur deux appuis (poteaux) distants de 8 mètres.

  • Charge Linéique \( q \) : Elle correspond à l'accumulation de plusieurs charges : le poids propre de la poutre en béton armé (25 kN/m³), le poids de la dalle de compression, le revêtement de sol épais (carrelage piscine) et les surcharges d'exploitation liées à la présence de public.
  • Charge Ponctuelle \( F \) : Elle provient directement de la descente de charge du poteau P2. Ce poteau reprend une partie de la toiture végétalisée du complexe, qui est saturée en eau, ce qui explique l'intensité élevée de cette force ponctuelle.
PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES
Portée utile de la poutre \( L \)8.00 m
Position de la charge ponctuelle \( a \)2.00 m (Mesuré depuis l'appui gauche \( A \))
ACTIONS MÉCANIQUES (ELU - État Limite Ultime)
Charge linéique répartie \( q \)35 kN/m
Charge ponctuelle concentrée \( F \)120 kN
[MODÈLE MÉCANIQUE D'ENTRÉE - ISOSTATIQUE]
A (0,0) B (L,0) q = 35 kN/m F = 120 kN L = 8.00 m a = 2m x y
Modèle Mécanique (Données d'entrée) : Poutre sur appuis simples avec chargement asymétrique. Les inconnues (Réactions) ne sont pas encore calculées.

E. Protocole de Résolution

Pour garantir la stabilité de l'ouvrage, nous allons suivre une méthode rigoureuse issue de la Résistance des Matériaux (RDM). Cette approche séquentielle permet de valider chaque hypothèse avant de passer à la suivante.

1

Bilan des Forces et Modélisation

Inventaire complet des actions mécaniques s'exerçant sur la poutre et conversion de la charge répartie en résultante équivalente pour simplifier les calculs globaux.

2

Calcul des Réactions d'Appuis

Application du Principe Fondamental de la Statique (PFS), et plus spécifiquement du Théorème des Moments, pour déterminer les forces de réaction en \( A \) et \( B \).

3

Vérification de l'Équilibre Vertical

Contrôle final par la somme des forces verticales (\( \sum F_y = 0 \)). C'est la "preuve" mathématique que le système ne s'effondre pas.

4

Conclusion & Validation

Synthèse des résultats et validation du dimensionnement vis-à-vis de l'équilibre statique.

CORRECTION

Vérification de l’équilibre des forces verticales

1
Résultante des Charges Réparties
🎯 Objectif Pédagogique

La première étape cruciale en Résistance des Matériaux consiste à simplifier le modèle de chargement. Ici, nous sommes confrontés à une charge linéique \( q \) qui est distribuée uniformément sur toute la longueur de la poutre. Bien que physiquement cette charge appuie partout, pour écrire nos équations d'équilibre global (réactions d'appuis), nous devons la modéliser mathématiquement par une force unique équivalente, appelée "résultante".

📚 Référentiel Théorique
Statique des Solides Barycentres
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Imaginez la charge répartie comme un rectangle posé sur la poutre. La hauteur du rectangle est l'intensité de la charge \( q \) et sa base est la longueur de la poutre \( L \). La force totale est simplement l'aire de ce rectangle. Pour l'équilibre statique, tout se passe comme si cette force totale s'appliquait au centre de gravité de ce rectangle, c'est-à-dire exactement au milieu de la poutre.

SCHÉMA EXPLICATIF : PRINCIPE D'ÉQUIVALENCE
Charge Répartie q Prep = q × L Application à L/2
📘 Rappel Théorique : Les Charges Réparties

Une charge répartie (ou distribuée) est une force qui s'applique sur une surface ou une longueur, contrairement à une force ponctuelle qui s'applique en un point unique. Son unité est généralement le Newton par mètre (N/m) en 1D. Pour les calculs de statique externe (réactions d'appuis), on peut remplacer une charge répartie uniforme par une force ponctuelle équivalente égale à l'aire du diagramme de charge et située à son barycentre géométrique.

📐 Formule Fondamentale

La résultante \( P_{\text{rep}} \) est le produit de la densité de charge par la longueur sur laquelle elle s'applique.

\[ P_{\text{rep}} = q \times L \]

Avec \( P_{\text{rep}} \) en Newtons (N) ou kiloNewtons (kN), \( q \) en N/m ou kN/m, et \( L \) en mètres (m).

📋 Données d'Entrée
ParamètreSymboleValeur
Charge linéique\( q \)35 kN/m
Longueur totale\( L \)8.00 m
💡 Astuce d'Expert

Vérifiez toujours l'homogénéité des unités. Si \( q \) était donné en N/cm et \( L \) en mètres, le calcul serait faux. Ici, kN/m multiplié par m donne bien des kN. C'est cohérent.


📝 Calcul Détaillé
1. 🔍 Détail des Manipulations (Calcul de la Résultante) :

Pour calculer la force totale équivalente à la charge répartie, nous effectuons une simple opération de surface. Géométriquement, la charge est représentée par un rectangle de hauteur \( q \) et de largeur \( L \). L'aire de ce rectangle correspond à la force totale.

\[ \begin{aligned} P_{\text{rep}} &= q \times L \\ &= 35 \text{ kN/m} \times 8.00 \text{ m} \\ &= 280 \text{ kN} \end{aligned} \]

Explication du résultat : Nous obtenons 280 kN. Cette valeur représente le poids total de la charge répartie sur toute la poutre.

✅ Interprétation Globale

La charge totale équivalente qui pèse sur la poutre (hors charge ponctuelle) est de 280 kN. Cette force fictive s'applique géométriquement au centre de la poutre, soit à 4,00 m de l'origine \( A \).

⚖️ Analyse de Cohérence

280 kN correspond environ à 28 tonnes. Pour une poutre de 8m supportant un étage de bâtiment public, cet ordre de grandeur est tout à fait réaliste.

⚠️ Points de Vigilance

Ne confondez pas cette résultante avec une charge concentrée réelle. Elle ne modifie pas le diagramme des efforts tranchants de la même manière. C'est une simplification valable uniquement pour l'équilibre global externe.

2
Calcul des Réactions d'Appuis (A et B)
🎯 Objectif Pédagogique

C'est le cœur de l'exercice. Nous devons calculer avec précision les forces de réaction \( R_{\text{A}} \) et \( R_{\text{B}} \). Ce sont les forces que les poteaux exercent vers le haut pour empêcher la poutre de s'enfoncer dans le sol. Comme le chargement n'est pas symétrique (la force \( F \) est décalée vers la gauche), nous nous attendons à ce que l'appui \( A \) porte plus de charge que l'appui \( B \).

📚 Référentiel Théorique
PFS (Principe Fondamental de la Statique) Théorème des Moments
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Le système a deux inconnues verticales : \( R_{\text{A}} \) et \( R_{\text{B}} \). L'équation de la somme des forces \( \sum F_y = 0 \) nous donnerait \( R_{\text{A}} + R_{\text{B}} = \text{Total} \), ce qui ne suffit pas à trouver chaque valeur individuellement. La méthode standard est d'utiliser l'Équation des Moments. En calculant la somme des moments par rapport au point \( A \), la force \( R_{\text{A}} \) (dont le bras de levier est nul) disparaît de l'équation. Il ne reste que l'inconnue \( R_{\text{B}} \), que l'on peut alors isoler et calculer. Nous répétons ensuite le processus en prenant le point \( B \) comme pivot pour trouver \( R_{\text{A}} \).

📘 Rappel Théorique : Le Moment d'une Force

Le moment d'une force par rapport à un point est la capacité de cette force à faire tourner le système autour de ce point. Il se calcule par la formule suivante :

\[ M = F \times d \]

où \( d \) est la distance perpendiculaire (bras de levier) entre la ligne d'action de la force et le point de pivot.

📐 Formule Clé : PFS en Rotation

Pour qu'un solide soit à l'équilibre, la somme des moments de toutes les forces extérieures par rapport à n'importe quel point doit être nulle.

\[ \sum M_{\text{/Point}} = 0 \]

Convention : Rotation anti-horaire positive (+).

📋 Données d'Entrée
ParamètreSymboleValeur
Charge Ponctuelle\( F \)120 kN
Résultante Charge Répartie\( P_{\text{rep}} \)280 kN
Position de F (depuis A)\( a \)2.00 m
Position de \( P_{\text{rep}} \) (depuis A)\( L/2 \)4.00 m
Portée Totale\( L \)8.00 m
💡 Astuce d'Expert

Dessinez toujours le bras de levier. C'est la distance horizontale entre la force verticale et le point de pivot. Pour la réaction B calculée depuis \( A \), le bras de levier est \( L \). Pour \( F \) depuis \( A \), c'est \( a \).


📝 Calcul Détaillé 1 : Réaction à l'Appui B (\( R_{\text{B}} \))

SCHÉMA EXPLICATIF : MOMENTS AUTOUR DE A
Pivot A F (Bras = a) Prep (Bras = L/2) RB (Bras = L)
1. 🔍 Détail des Manipulations (Construction de l'équation des moments en A) :

Nous utilisons le Théorème des Moments par rapport au point \( A \). Nous identifions trois moments distincts :

  • Le moment de la force \( R_{\text{B}} \) : Force \( R_{\text{B}} \) à une distance \( L=8\text{m} \). Il fait tourner dans le sens anti-horaire (positif). Son moment est \( + R_{\text{B}} \times 8 \).
  • Le moment de la charge ponctuelle \( F \) : Force \( 120 \) à une distance \( a=2\text{m} \). Il fait tourner dans le sens horaire (négatif). Son moment est \( - 120 \times 2 \).
  • Le moment de la résultante \( P_{\text{rep}} \) : Force \( 280 \) à une distance \( L/2=4\text{m} \). Il fait tourner dans le sens horaire (négatif). Son moment est \( - 280 \times 4 \).

L'équation d'équilibre s'écrit donc : Somme des moments = 0.

\[ \begin{aligned} \sum M_{\text{/A}} &= 0 \\ (R_{\text{B}} \times 8) - (120 \times 2) - (280 \times 4) &= 0 \end{aligned} \]
2. 🔍 Détail des Manipulations (Résolution algébrique) :

Nous isolons le terme inconnu (\( R_{\text{B}} \)) en passant les termes négatifs de l'autre côté de l'égalité.

\[ \begin{aligned} 8 R_{\text{B}} &= (120 \times 2) + (280 \times 4) \\ 8 R_{\text{B}} &= 240 + 1120 \\ 8 R_{\text{B}} &= 1360 \end{aligned} \]
3. Résultat final pour \( R_{\text{B}} \) :

Nous divisons par 8 pour obtenir la valeur de la réaction.

\[ \begin{aligned} R_{\text{B}} &= \frac{1360}{8} \\ R_{\text{B}} &= \mathbf{170 \text{ kN}} \end{aligned} \]

Interprétation : L'appui de droite (\( B \)) doit pousser vers le haut avec une force de 170 kN.


📝 Calcul Détaillé 2 : Réaction à l'Appui A (\( R_{\text{A}} \))

SCHÉMA EXPLICATIF : MOMENTS AUTOUR DE B
Pivot B RA (Bras = L) F (Bras = L-a) Prep (Bras = L/2)
1. 🔍 Détail des Manipulations (Construction de l'équation des moments en B) :

Nous changeons de pivot pour le point \( B \). Attention, les distances (bras de levier) changent car nous mesurons depuis la droite :

  • Le moment de la force \( R_{\text{A}} \) : Force \( R_{\text{A}} \) à une distance \( L=8\text{m} \). Il fait tourner dans le sens horaire (négatif selon notre convention, mais ici nous égalisons moments moteurs et résistants).
  • Le moment de la charge ponctuelle \( F \) : Force \( 120 \) à une distance \( L-a = 8-2 = 6\text{m} \).
  • Le moment de la résultante \( P_{\text{rep}} \) : Force \( 280 \) à une distance \( L/2 = 4\text{m} \).
\[ \begin{aligned} \sum M_{\text{/B}} &= 0 \\ R_{\text{A}} \times 8 &= (120 \times 6) + (280 \times 4) \end{aligned} \]
2. 🔍 Détail des Manipulations (Résolution algébrique) :

Nous calculons les produits partiels.

\[ \begin{aligned} R_{\text{A}} \times 8 &= 720 + 1120 \\ R_{\text{A}} \times 8 &= 1840 \end{aligned} \]
3. Résultat final pour \( R_{\text{A}} \) :

On effectue la division finale par la portée totale.

\[ \begin{aligned} R_{\text{A}} &= \frac{1840}{8} \\ R_{\text{A}} &= \mathbf{230 \text{ kN}} \end{aligned} \]

Interprétation : L'appui \( A \) exerce une force de 230 kN vers le haut.

✅ Interprétation Globale

Nous avons trouvé \( R_{\text{A}} = 230 \text{ kN} \) et \( R_{\text{B}} = 170 \text{ kN} \). L'appui \( A \) est nettement plus chargé que l'appui \( B \) (230 vs 170). C'est physiquement logique et attendu car la charge ponctuelle massive \( F \) est située beaucoup plus près de \( A \) (à 2m) que de \( B \) (à 6m).

⚖️ Analyse de Cohérence

La somme des réactions est \( 230 + 170 = 400 \text{ kN} \). C'est un chiffre rond et cohérent avec les charges d'entrée (120 + 280). L'ordre de grandeur est correct.

⚠️ Points de Vigilance

L'erreur classique est de se tromper dans le bras de levier de la force \( F \) lors du calcul de \( R_{\text{A}} \). N'utilisez pas la distance \( a \) (distance à \( A \)), mais bien la distance \( L-a \) (distance à \( B \)) !

3
Vérification de l'Équilibre Vertical Global
🎯 Objectif Pédagogique

En ingénierie, on ne livre jamais un résultat sans le vérifier par une méthode indépendante. Cette étape, souvent appelée "la preuve par neuf", consiste à vérifier que la somme de toutes les forces verticales est strictement nulle. Si ce n'est pas le cas, la poutre ne serait pas à l'équilibre statique (elle bougerait verticalement), ce qui signifierait une erreur grave dans nos calculs précédents.

📚 Référentiel Théorique
Loi de Newton Équilibre de Translation
🧠 Réflexion de l'Ingénieur

Nous allons simplement faire le bilan comptable des forces. D'un côté les "Dépenses" (Charges descendantes), de l'autre les "Recettes" (Réactions ascendantes). Le bilan doit être nul. Si vous trouvez une différence, même minime (hors arrondis), c'est qu'il y a une erreur dans l'étape 2.

SCHÉMA EXPLICATIF : BILAN DES FORCES VERTICALES
FORCES DESCENDANTES 400 F + Prep
=
FORCES ASCENDANTES 400 RA + RB
📘 Rappel Théorique : Principe de l'Action et de la Réaction

Pour qu'un objet soit immobile, la somme vectorielle des forces extérieures qui s'appliquent sur lui doit être nulle. Ici, comme toutes les forces sont verticales, cela se résume à une simple addition algébrique.

📐 Formule de Vérification

La somme des forces ascendantes doit être égale à la somme des forces descendantes.

\[ \sum F_{\text{ext}} \cdot \vec{y} = 0 \iff \sum F_{\uparrow} - \sum F_{\downarrow} = 0 \]
📋 Données d'Entrée (Récapitulatif)
TypeNomValeur
Charge\( F \)120 kN
Charge\( P_{\text{rep}} \)280 kN
Réaction\( R_{\text{A}} \)230 kN (Calculé)
Réaction\( R_{\text{B}} \)170 kN (Calculé)
💡 Astuce d'Expert

Si la somme n'est pas nulle, vérifiez vos calculs de bras de levier dans l'étape précédente. C'est la source d'erreur n°1.


📝 Calcul Détaillé
1. 🔍 Détail des Manipulations (Somme des Actions Descendantes)

Nous additionnons toutes les charges appliquées sur la poutre (poids propre, exploitation, charge concentrée).

\[ \begin{aligned} F_{\downarrow} &= F + P_{\text{rep}} \\ &= 120 + 280 \\ &= \mathbf{400 \text{ kN}} \end{aligned} \]
2. 🔍 Détail des Manipulations (Somme des Forces Ascendantes)

Nous additionnons les réactions d'appuis que nous venons de calculer.

\[ \begin{aligned} F_{\uparrow} &= R_{\text{A}} + R_{\text{B}} \\ &= 230 + 170 \\ &= \mathbf{400 \text{ kN}} \end{aligned} \]
3. Comparaison et Conclusion (Le Delta)

Nous effectuons la soustraction pour vérifier la nullité parfaite.

\[ \begin{aligned} \Delta &= F_{\uparrow} - F_{\downarrow} \\ &= 400 - 400 \\ &= \mathbf{0 \text{ kN}} \end{aligned} \]

Interprétation : Le delta est nul. L'équilibre est parfait.

✅ Interprétation Globale

Le système mécanique que nous avons modélisé est stable. Les fondations recevront exactement la charge qu'elles doivent supporter, sans reste.

⚖️ Analyse de Cohérence

0 = 0. La cohérence mathématique est absolue.

⚠️ Points de Vigilance

Attention, cette vérification ne valide que l'équilibre statique global. Elle ne dit rien sur la résistance interne de la poutre (flexion, cisaillement) qui devra faire l'objet d'une note de calcul séparée.

VALIDATION TECHNIQUE
✅ ÉQUILIBRE CONFIRMÉ
Le modèle est parfaitement stable. Les calculs sont validés.
4
Synthèse Visuelle & Flux d'Efforts
🎯 Objectif Pédagogique

La dernière étape consiste à communiquer les résultats. Un ingénieur ne livre pas seulement des chiffres, il livre une interprétation visuelle qui servira aux dessinateurs-projeteurs pour réaliser les plans d'exécution. Ce schéma récapitule toutes les forces en présence et montre visuellement l'asymétrie de la répartition.

4. Schéma de Synthèse des Efforts
Charge Totale Répartie : 280 kN F = 120 kN RA = 230 kN RB = 170 kN
Points de Vigilance pour l'Exécution

1. Fondations : Le poteau en \( A \) reprend 57.5% de la charge totale, contre 42.5% pour le poteau \( B \). Les semelles de fondations sous \( A \) devront être plus larges pour limiter la contrainte au sol.

2. Ferraillage : L'effort tranchant sera maximal au niveau de l'appui \( A \) (230 kN). Il faudra resserrer les cadres (étriers) dans cette zone pour éviter la rupture brutale par cisaillement du béton.

📄 Livrable Final (Note de Calculs EXE)

BON POUR EXE
Projet : Complexe Aquatique Municipal
NOTE DE CALCULS - POUTRE DE REPRISE PR-102
Affaire :STR-24-B82
Phase :EXE
Date :24/10/2024
Indice :A
Ind.DateObjet de la modificationRédacteur
A24/10/2024Vérification Statique InitialeIng. T. Martin
1. Hypothèses & Données d'Entrée
1.1. Référentiel Normatif
  • Eurocode 0 (Bases de calcul des structures)
  • Eurocode 2 (Calcul des structures en béton)
1.2. Chargement (ELU)
Charge Permanente + Exploitation (\( q \))35.00 kN/m
Charge Concentrée P2 (\( F \))120.00 kN
Portée entre nus d'appuis (\( L \))8.00 m
2. Note de Calculs Justificative

Calcul des réactions d'appuis par la méthode des moments statiques.

2.1. Réaction à l'Appui A (Gauche)
Formule (Somme Moments / B = 0) :\( R_{\text{A}} = [F \times (L-a) + q \times L \times (L/2)] / L \)
Application numérique :\( R_{\text{A}} = [120 \times 6 + 280 \times 4] / 8 \)
Résultat (RA) :230.00 kN
2.2. Réaction à l'Appui B (Droite)
Formule (Somme Moments / A = 0) :\( R_{\text{B}} = [F \times a + q \times L \times (L/2)] / L \)
Application numérique :\( R_{\text{B}} = [120 \times 2 + 280 \times 4] / 8 \)
Résultat (RB) :170.00 kN
2.3. Contrôle Équilibre Vertical
Somme Actions (Descendantes) :\( 120 + (35 \times 8) = 400 \) kN
Somme Réactions (Ascendantes) :\( 230 + 170 = 400 \) kN
Écart (Delta) :0.00 kN (OK)
3. Conclusion & Décision
DÉCISION TECHNIQUE
✅ MODÈLE VALIDÉ
Les descentes de charges sont équilibrées. Transmission aux fondations validée.
Rédigé par :
Ing. T. Martin
Vérifié par :
Dir. J. Dupont
VISA DE CONTRÔLE
24 OCT 2024
Exercice de Statique - Génie Civil - Niveau L3/Master 1
Section Publicitaire Élégante

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