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1.1.1 Degrés de liberté
Le nombre de degrés de liberté est le nombre minimum de coordonnées permettant de décrire les
oscillations de la structure. Les structures peuvent être modélisées en considérant que les masses sont
concentrées dans quelques éléments particuliers, comme les dalles d’étage des bâtiments, par exemple.
Dans ce cas, le nombre de degrés de liberté par direction principale est égal au nombre d’étages.
Figure 1.1: Deux exemples de structures à deux degrés de liberté. Les oscillations sont décrites par le déplacement
horizontal des masses. Les coordonnées x1 et x2 sont repérées sur l’axe horizontal (positives de gauche à droite).
x
x
x2(t)
x1(t)
m2
m1
m1
k1
x1(t)
m2
k2
x2(t)
x
a) b)
1.1.2 Types de mouvements oscillatoires
Régime harmonique
Le régime harmonique est le mouvement oscillatoire de base. Il décrit des mouvements oscillatoires (de
type sinusoïdaux) au voisinage d’une position d’équilibre stable, par exemple les vibrations induites par
une machine.
Figure 1.2: Régime harmonique
temps
déplacement
Régime périodique
Le régime périodique est un mouvement oscillatoire qui se répète à intervalles réguliers. Il décrit des
mouvements répétitifs, par exemple les vibrations induites par un piéton sautant sur une passerelle.
Figure 1.3: Régime périodique
temps
déplacement
Régime transitoire
Le régime transitoire est un mouvement oscillatoire quelconque. Il décrit des mouvements à caractère
aléatoire, par exemple les vibrations induites par le trafic, le vent ou un séisme.
Figure 1.4: Régime transitoire
temps
déplacement
1.2 Paramètres et hypothèses
1.2.1 Masse
Dynamiquement, les masses engendrent des forces d’inertie qui font osciller la structure. Elles peuvent
habituellement être considérées comme concentrées en un certain nombre de points de la structure.
1.2.2 Rigidité
La rigidité est associée aux forces de rappel exercées sur les masses par les éléments stabilisateurs d’une
structure en fonction des déplacements de celle-ci. Dans le cas linéaire, ces forces sont directement pro-
portionnelles aux déplacements. La constante de proportionnalité est la rigidité (k).
1.2.3 Amortissement
L’amortissement regroupe les phénomènes qui atténuent l’amplitude des oscillations au cours du mou-
vement. L’amortissement est habituellement grossièrement représenté par un amortissement de type
visqueux. L’intensité de la force correspondante est alors proportionnelle à la vitesse.
Figure 1.5: Systèmes de ressorts en série (a) et en parallèle (b).
a)
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  • 1. 1.1.1 Degrés de liberté Le nombre de degrés de liberté est le nombre minimum de coordonnées permettant de décrire les oscillations de la structure. Les structures peuvent être modélisées en considérant que les masses sont concentrées dans quelques éléments particuliers, comme les dalles d’étage des bâtiments, par exemple. Dans ce cas, le nombre de degrés de liberté par direction principale est égal au nombre d’étages. Figure 1.1: Deux exemples de structures à deux degrés de liberté. Les oscillations sont décrites par le déplacement horizontal des masses. Les coordonnées x1 et x2 sont repérées sur l’axe horizontal (positives de gauche à droite). x x x2(t) x1(t) m2 m1 m1 k1 x1(t) m2 k2 x2(t) x a) b)
  • 2. 1.1.2 Types de mouvements oscillatoires Régime harmonique Le régime harmonique est le mouvement oscillatoire de base. Il décrit des mouvements oscillatoires (de type sinusoïdaux) au voisinage d’une position d’équilibre stable, par exemple les vibrations induites par une machine. Figure 1.2: Régime harmonique temps déplacement
  • 3. Régime périodique Le régime périodique est un mouvement oscillatoire qui se répète à intervalles réguliers. Il décrit des mouvements répétitifs, par exemple les vibrations induites par un piéton sautant sur une passerelle. Figure 1.3: Régime périodique temps déplacement
  • 4. Régime transitoire Le régime transitoire est un mouvement oscillatoire quelconque. Il décrit des mouvements à caractère aléatoire, par exemple les vibrations induites par le trafic, le vent ou un séisme. Figure 1.4: Régime transitoire temps déplacement
  • 5. 1.2 Paramètres et hypothèses 1.2.1 Masse Dynamiquement, les masses engendrent des forces d’inertie qui font osciller la structure. Elles peuvent habituellement être considérées comme concentrées en un certain nombre de points de la structure. 1.2.2 Rigidité La rigidité est associée aux forces de rappel exercées sur les masses par les éléments stabilisateurs d’une structure en fonction des déplacements de celle-ci. Dans le cas linéaire, ces forces sont directement pro- portionnelles aux déplacements. La constante de proportionnalité est la rigidité (k). 1.2.3 Amortissement L’amortissement regroupe les phénomènes qui atténuent l’amplitude des oscillations au cours du mou- vement. L’amortissement est habituellement grossièrement représenté par un amortissement de type visqueux. L’intensité de la force correspondante est alors proportionnelle à la vitesse.
  • 6. Figure 1.5: Systèmes de ressorts en série (a) et en parallèle (b). a) b)
  • 7. 1.2.4 Unités En dynamique, il faut faire très attention aux unités utilisées. En effet, la fréquence dépend de la racine carrée du rapport de la rigidité par la masse. Pour obtenir la bonne unité de la fréquence [s-1], il est recommandé d’exprimer systématiquement la rigidité en [N/m] et la masse en [kg]. 1.3 Equation du mouvement L’équation du mouvement est directement déduite de la deuxième loi de Newton. Figure 1.6: L’équation du mouvement selon Newton ne fait intervenir que les forces externes agissant sur la masse (a). Le principe de d’Alembert consiste à ajouter la force d’inertie pour exprimer un équilibre dynamique (b). m k·x(t) x(t) c·x(t) . m k·x(t) x(t) c·x(t) . m·x(t) .. a) b)
  • 8. 1.3.1 Loi de Newton La deuxième loi de Newton relie les forces extérieures à la variation de la quantité de mouvement: (1.1) Fext: forces extérieures m: masse , : vitesse, accélération 1.3.2 Hypothèses de base Les cinq hypothèses de base sont les suivantes: 1) les ressorts sont parfaitement linéaires; 2) les ressorts sont sans masse; 3) les masses sont ponctuelles; 4) il n’y a pas de friction; 5) le mouvement s’effectue dans le vide. F ∑ ext m x ·· ⋅ = F ∑ ext d m x · ⋅ ( ) dt ------------------- - = x · x ··
  • 9. 2.2 Oscillations libres non amorties Les oscillations libres non amorties concernent les systèmes dans lesquelles les vibrations ne s’atté- nuent pas au cours du temps: Figure 2.1: Oscillateur simple sans amortissement. Représentation traditionnelle orientée mécanique (a), représen- tation orientée structure (b) et définitions (c). x(t): déplacement k: rigidité m: masse ωn=√(k/m): fréquence circulaire fn=ωn/2: fréquence propre m k x(t) m k x(t) a) b) c)
  • 10. 2.2.1 Equation différentielle L’équation différentielle s’établit à partir des forces agissant sur la masse. Conformément à la deuxième loi de Newton, l’équation du mouvement s’exprime: ou bien: (2.1) en posant (2.2) Figure 2.2: Forces agissant sur la masse pour un oscillateur simple sans amortissement. Seule la force de rappel pro- venant de l’effet du ressort intervient dans les oscillations considérées (horizontales). m k·x(t) x(t) x(t) m k·x(t) a) b) F ∑ k x ⋅ – m x ·· ⋅ = = m x ·· ⋅ k x ⋅ + 0 = x ·· ωn 2 x ⋅ + 0 = ωn k m ⁄ =
  • 11. 2.2.2 Paramètres Le paramètre (ωn) est nommé pulsation propre ou fréquence circulaire. Il décrit la rapidité à laquelle les oscillations vont s’effectuer et dépend du rapport de la rigidité du ressort par la valeur de la masse. Son unité est le [rad/s], mais pour l’obtenir, il faut exprimer k en [N/m] et m en [kg]. La fréquence propre ou fréquence fondamentale (fn) est définie à partir de ωn par la relation: . Son unité est le Hertz [Hz] ou [s-1]. La période propre ou période fondamentale (Tn) est définie par la relation: . Son unité est la seconde [s]. 2.2.3 Solutions en fonction des conditions initiales La solution générale est constituée par la somme de sinus et de cosinus suivante: (2.3) Une formulation alternative n’utilisant que le cosinus est la suivante: (2.4) fn ωn 2π ------ = Tn 1 fn --- - 2π ωn ------ = = x t ( ) A ωnt sin ⋅ B ωnt cos ⋅ + = x t ( ) C ωnt φ – ( ) cos ⋅ =
  • 12. Les constantes A et B (ou C et φ) sont déterminées par les conditions initiales. Déplacement initial X0 (en t=0) En t=0, le terme du sinus disparaît et le terme du cosinus prend une valeur unitaire. La valeur de la cons- tante B est donc égale au déplacement initial (X0): Vitesse initiale V0 (en t=0) L’expression de la vitesse s’obtient par la dérivée de la solution générale par rapport au temps (d/dt): (2.5) En t=0, le terme du sinus disparaît et le terme du cosinus prend une valeur unitaire. La valeur de la cons- tante A est donc égale au rapport de la vitesse initiale par la pulsation propre (V0/ωn): B X0 = x · t ( ) A ωn ωnt cos ⋅ ⋅ B – ωn ωnt sin ⋅ ⋅ = A V0 ωn ------ - =
  • 13. En prenant en compte les conditions initiales, la solution générale s’exprime: (2.6) Figure 2.3: Les oscillations libres non amorties sont caractérisées par un déplacement harmonique se répétant indé- finiment avec une période Tn=2π/ωn. x t ( ) V0 ωn ------ - ωnt sin ⋅ X0 ωnt cos ⋅ + = 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 t/Tn -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 x(t)/X 0 T n Tn C V0
  • 14. La solution générale peut également être exprimée en utilisant la formulation alternative. Les constantes C et φ se déterminent de la manière suivante: Déplacement initial X0 (en t=0) En t=0, la constante φ (avec un signe négatif) constitue l’argument du cosinus. Le cosinus n’étant pas affecté par le signe négatif, il reste: Vitesse initiale V0 (en t=0) L’expression de la vitesse s’obtient par la dérivée de solution générale par rapport au temps (d/dt): (2.7) En t=0, la constante φ (avec un signe négatif) constitue l’argument du sinus. Le sinus étant affecté par le signe négatif, il reste: X0 C φ – ( ) cos ⋅ C φ cos ⋅ = = x · t ( ) C – ωn ωnt φ – ( ) sin ⋅ ⋅ = V0 C – ωn φ – ( ) sin ⋅ ⋅ C ωn φ sin ⋅ ⋅ = =
  • 15. En élevant au carré les deux expressions avec les conditions initiales et en les combinant, on obtient: Prenant en compte les conditions initiales, la solution générale s’exprime alors: (2.8) C 2 φ cos ( )2 ⋅ C 2 φ sin ( )2 ⋅ + X0 2 V0 ωn ------ - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞2 + C 2 φ cos ( )2 φ sin ( )2 + ( ) ⋅ C 2 = = = C X0 2 V0 ωn ------ - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞2 + = ⇒ φ V0 ωn X0 ⋅ ----------------- - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞ atan = x t ( ) X0 2 V0 ωn ------ - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞2 + ωnt V0 ωn X0 ⋅ ----------------- - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞ atan – ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞ cos ⋅ =
  • 16. Cette formulation de la solution générale présente l’avantage de donner directement les valeurs maxi- males du déplacement et de ses différentes dérivées par rapport au temps: max x t ( ) C X0 2 V0 ωn ------ - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞2 + = = max x · t ( ) C ωn ⋅ ωn X0 2 V0 ωn ------ - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞2 + ⋅ = = max x ·· t ( ) C ωn 2 ⋅ ωn 2 X0 2 V0 ωn ------ - ⎝ ⎠ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞2 + ⋅ = =
  • 17. 2.2.4 Influence d’une force constante Une force constante, comme le poids, n’a pas d’influence sur la pulsation propre du système (ωn). Figure 2.4: Une force constante comme le poids n’a pas d’influence sur la pulsation propre. δinit δinit kδinit k(δinit+x) −k(δinit+x)
  • 18. 2.2.5 Exemple Cadre bi-encastré avec une traverse infiniment rigide. rigidité latérale: pulsation propre: Figure 2.5: Oscillations horizontales non amorties d’un cadre bi-encastré avec traverse infiniment rigide. I = 308.2·106 mm4 E = 210 GPa m = 100 t h = 4 m x I I I m h k 2 12EI h 3 ----------- - ⋅ 2 12 210 10 9 308.2 10 6 – ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ 4 3 ------------------------------------------------------------------ - ⋅ 24.3 10 6 N/m [ ] ⋅ = = = ωn k m ⁄ 24.3 10 6 ⋅ 100 10 3 ⋅ ----------------------- 15.59 rad/s [ ] = = =
  • 19. fréquence propre: période propre: fn ωn 2π ------ 15.59 2π ------------ - 2.48 Hz [ ] = = = Tn 1 fn --- - 2π 15.59 ------------ - 0.40 s [ ] = = =