Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
Méthode des déplacements simplifiés :
Principe :
Il s'agit, comme nous l'avons f...
Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
Principe des travaux virtuels :
Introduction :
C'est un outil puissant qui joue ...
Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
Exemple :
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Calcul des actions d'appuis :
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Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
La troisième équation traditionnellement obtenue à l'aide du PFS (Projection de ...
Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
Notations et résultats précédents:
C. La Borderie 27/11/08
Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
Efforts aux nœuds dans le repère local : actions des nœuds sur
la barre
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Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
Équations d’équilibre d’un élément de poutre
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Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
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Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
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Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
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Méthode des déplacements simplifiés ISA 3
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Cours deplacements simplifies

  1. 1. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Méthode des déplacements simplifiés : Principe : Il s'agit, comme nous l'avons fait pour la méthode des forces, de négliger l'énergie due à l'effort normal et à l'effort tranchant devant l'énergie due au moment fléchissant. Cette hypothèse se traduit dans la méthode des déplacements en négligeant les déformées dues aux effort normaux et tranchants. Conséquences : Conséquences sur les déplacements : Si on néglige la déformée due à l'effort normal, on considère alors que la longueur des poutres est conservée. On dit que la longueur des barres est invariante. I J I J Déformée ω ij ω ji Déplacement de corps rigide + Rotation des nœuds = déformée de la poutre uij = uji Les déplacements des nœuds de la structure sont alors liés et par exemple, dans la structure suivante : 1 2 4 X Y X3=X2 Y2=Y3=0 3 u21=u12 Y2=0 u34=u43 Y3=0 u23=u32 X2=X3 Conséquences sur les équations d'équilibre : Les équations faisant intervenir l'effort normal ne sont plus valables, seules sont disponibles les équations de moment. Il manque donc des équations pour résoudre le problème, ces équations peuvent être obtenues par le principe des travaux virtuels (PTV* ) C. La Borderie 27/11/08
  2. 2. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Principe des travaux virtuels : Introduction : C'est un outil puissant qui joue le même rôle que le principe fondamental de la statique (ou de la dynamique), mais qui permet une mise en œuvre des équations plus systématique. Énoncé : Dans un référentiel Galliléen et pour tout système matériel, le travail virtuel des quantités d'accélérations et égal à la somme du travail virtuel des forces extérieures au système et du travail virtuel des forces intérieures, et ceci que soit le déplacement virtuel considéré. W* acc = W* ext + W* int Utilisation : Les champs de déplacements virtuels sont généralement notés par des *, par exemple : U* . Les travaux virtuels occasionnés par un déplacement virtuel, se calculent simplement et sans tenir compte d'une éventuelle évolution des l'efforts appliqués au cours du déplacement virtuel. On peut imaginer des déplacements virtuels quelconques et en particulier, des déplacements virtuels qui rompent les liaisons ou les solides. On choisit généralement des déplacements virtuels qui font travailler une ou plusieurs inconnues et qui ne génèrent pas de travaux internes, ces champs de déplacements virtuels respectent les conditions de déplacements de solides indéformables et sont appelés mouvements rigidifiants. On peut appliquer le PTV* autant de fois que nécessaire, il faut cependant veiller à obtenir des équations indépendantes (3 équations en 2D, 6 en 3D). Dans le cas de l'hypothèse des petits déplacements, on peut assimiler un champ de déplacements dans un corps rigide à un champ de torseur, c'est le torseur des petits déplacements qui à les mêmes propriétés que le torseur cinématique dans ce cas on dit qu'on utilise le principe des puissance virtuelles PPV* . C. La Borderie 27/11/08
  3. 3. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Exemple : X Y l B A a YF C Calcul des actions d'appuis : B A C YUU ** = Le champ de déplacements est une translation d'axe Y qui rompt les liaisons en A et B. W* int=0 W* ext= ( ) ( ) ( )BURCUFAUR BA *** •+•+• Soit : W* ext = YA U* + F U* + YB U* Le PPV* donne alors : YA U* + F U* + YB U* = 0 ∀ U* Soit YA + F + YB = 0 ce qui correspond à l'équation de la résultante en projection / Y B A C ω * Le champ de déplacements est une rotation autour de l'axe ZA . W* int=0 W* ext= ( ) ( ) ( )BURCUFAUR BA *** •+•+• Et : ( ) ( ) ( )      =∧= =∧= = YaACZCU YlABZBU AU *** *** * 0 ωω ωω    W* ext = F aω* + YB lω* Le PPV* donne alors : F aω* + YB lω* = 0 ∀ ω* Soit F a + YB l= 0 ce qui correspond à l'équation du moment en A en projection / Z On obtient donc : YB = -F a/l et YA = -F (l-a)/l C. La Borderie 27/11/08
  4. 4. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 La troisième équation traditionnellement obtenue à l'aide du PFS (Projection de la résultante/ X ) est obtenue en utilisant comme champ de déplacement virtuel , une translation suivant l'axe X . Calcul du moment fléchissant : On écrit l'équilibre de −¿ G=[AC] B A Gω * C x Le champ de déplacements est une rotation de −¿ autour de l'axe ZG . W* int= **/ ωω fzMZM =−•−+ ΩΩ W* ext= ( )AURA * • Et : ( ) YxGAZAU *** ωω −=∧=  W* ext = -xω* YA Le PPV* donne alors : -xω* YA= -Mfz ω* ∀ ω* Soit Mfz = x YA C. La Borderie 27/11/08
  5. 5. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Notations et résultats précédents: C. La Borderie 27/11/08
  6. 6. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Efforts aux nœuds dans le repère local : actions des nœuds sur la barre I J Vij Nij Mij Vji Nji Mji ijX  ijY  Déplacements des nœuds dans le repère local I J ijX  ijY  ω ij vij vji ω ji uij uji Attention les valeurs indiquées sont bien les projections sur les axes et par exemple vij= U i⋅Yij est un nombre négatif pour le déplacement représenté sur la figure. La remarque est la même pour les efforts. C. La Borderie 27/11/08
  7. 7. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Équations d’équilibre d’un élément de poutre {Nij= EA L uij−ujiN ij 0 N ji= EA L uji−uij N ji 0 {M ij= 4EI L ωij 2EI L ωji 6EI L2 vij−vji M ij 0 M ji= 2EI L ωij 4EI L ωji 6EI L 2 vij−vji M ji 0 {V ij= 6EI L2 ωijωji 12EI L3 vij−vji Vij 0 V ji=− 6EI L 2 ωijωji− 12EI L 3 vij−vjiV ji 0 • Relations établies en cours en utilisant par exemple la méthode des forces • Dans ces équations : i<j. • Les M ij 0 ,V ij 0 et N ij 0 n'interviennent que sur des poutres recevant un chargement extérieur en d'autres points que leurs noeuds, leur valeurs dépendent du type de chargement. • Les équations Nij ne sont pas valables dans le cadre de la méthode des déplacements simplifiés. C. La Borderie 27/11/08
  8. 8. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Utilisation de la méthode des déplacements simplifiés : Illustration autour d'un exemple : O A B C L L x y FL/2 D Portique bi encastré de longueur et de hauteur L chargé au milieu de la poutre par une force verticale. L'inertie de la poutre et du poteau est I, le module d'élasticité du matériau, E. On néglige les déformations dues à l'effort normal et à l'effort tranchant. Prise en compte des symétries : Le problème est symétrique par rapport à D y(géométrie, liaisons et chargement), on traitera donc la moitié du problème en imposant un déplacement de D nul en projection sur x et une rotation de D nulle. La sollicitation dans le plan de symétrie est divisée par deux. O A D  x  y 2 F Discrétisation :  On découpe la structure en éléments de façon à ce que les charges concentrées soient appliquées aux nœuds et que les éléments aient un comportement connu (en général poutres droites).  Pour chaque élément. • On met en place le repère local. • On écrit les conditions de liaisons aux nœuds. • On écrit l'invariance de la longueur des barres.  On dénombre les déplacements et rotations inconnues du problème: ce sont les degrés de liberté. C. La Borderie 27/11/08
  9. 9. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 1 2 3 x y 2 F 1 2 12x 12y Élément [1-2] Conditions limites : u12=Y1=0 v12=-X1=0 ω12=0 Longueurs de barres invariantes : u21-u12=0 => Y2=0 3 2 2 3x 2 3y Élément [2-3] Conditions limites : u32=X3=0 ω32=0 Longueurs de barres invariantes : u23-u32=0 => X2=0 Il reste 2 déplacements/rotation ou degrés de liberté indépendants :  La rotation du nœud 2 : ω21=ω23=Ω2  Le déplacement vertical du nœud 3 : v32=Y3 Écriture des équations du PTV* : On écrit les équations correspondantes aux déplacements générés par les degrés de libertés indépendants en considérant que les élément de poutre sont rigides et articulés entre eux : 1 2 3 Ω 2* Le champ de déplacement virtuel correspond à la rotation du nœud 2 sans que les éléments [1-2] et [2-3] ne se déplacent. Seuls les moments M23 et M21 travaillent, les efforts extérieurs ne travaillent pas. -M23 Ω2*-M21Ω2*=0 soit (1) M23 +M21=0 1 2 3 Y3 * L'élément [2-3]tourne autour de 2 de façon à déplacer le nœud 3 de Y3 * . La rotation de l'élément est L/2 Y* 3 Le travail des efforts extérieurs est : Wext * =FY3 * /2 Le travail des efforts intérieurs est : Wint * =(M23 +M32) L/2 Y* 3 Soit : (2) FL + 4(M23 +M32)=0 C. La Borderie 27/11/08
  10. 10. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Équilibre des éléments : On écrit les valeurs des moments en fonction des déplacements et des rotation à l'aide de la matrice de rigidité.      −++= −++= )( 642 )( 624 2 2 jiijjiijji jiijjiijij vv L EI L EI L EI M vv L EI L EI L EI M ωω ωω Elément [1-2]      = = 221 212 4 2 ω ω L EI M L EI M Elément [2-3] (Attention à L/2)      −= −= 32232 32223 244 248 Y L EI L EI M Y L EI L EI M ω ω Résolution: On remplace les valeurs des moments dans les équations données par le PTV*       =      −+−+→ =+−→ 0 244248 4)2( 0 4248 )1( 322322 2322 Y L EI L EI Y L EI L EI FL L EI Y L EI L EI ωω ωω       =      −+→ =−→ 0 4812 4)2( 0 2412 )1( 322 322 Y L EI L EI FL Y L EI L EI ω ω       = = EI FL EI FL Y 48 96 2 2 3 3 ω Calcul des efforts et des moments dans les poutres: On peut alors calculer les moments et efforts tranchants dans les poutres en introduisant la valeur des degrés de liberté dans les équations d'équilibre des poutres. Par contre on ne peut pas calculer directement l'effort normal. C. La Borderie 27/11/08
  11. 11. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3            −=−= −=−= == == 6 244 12 248 12 4 24 2 32232 32223 221 212 FL Y L EI L EI M FL Y L EI L EI M FL L EI M FL L EI M ω ω ω ω Le moment fléchissant dans l'élément [I-J] de longueur Lij est linéaire (élément non chargé) et vaut en fonction de l'abscisse locale xij :  Au point I : M(0)=-Mij  Au point J : M(L)=Mji Soit : ( ) ij ijijijjiij ij L MxLMx xM −− =)( -FL/6 FL/12 -FL/24 Diagramme des moments fléchissants On peut utiliser les équations d'équilibre donnant l'effort tranchant : ( )     −= −++= ijji jiijjiijij VV vv L EI L EI V )( 126 32 ωω Ce qui donne : 3223 2112 2 8 V F V V F V −=−= −== L'effort tranchant dans l'élément [I-J] est constant (élément non chargé) et vaut V=Vji=-Vij F/2 -F/8 Diagramme des efforts tranchants Pour obtenir l'effort normal, il suffit d'écrire l'équilibre du nœud 2 : N12 V23 N23 N12 82 0 0 0 21232321 23232121 2323232312211221 2/]32[2/]21[ F VN F VN YVXNXVYN yVxNyVxN FF −===−= =−−+− =−−−− =+ −− On a comme précédemment :N=Nji=-Nij F/2 F/8 Diagramme des efforts normaux C. La Borderie 27/11/08
  12. 12. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 C. La Borderie 27/11/08
  13. 13. Méthode des déplacements simplifiés ISA 3 Cas d'un élément chargé : On utilise la superposition : La solution d'un problème correspondant à une poutre [I-J] sollicitée par :  Des déplacements et rotations à ses extrémités.  Une charge extérieure. Est la superposition des problèmes suivants : 1. Poutre soumise seulement aux déplacements et rotations imposés aux nœuds. 2. Poutre à la quelle on impose des déplacements et rotations nuls aux nœuds sollicitée par la charge extérieure. Le premier problème est déjà connu, le second correspond à une poutre bi-encastrée sollicitée par la charge extérieure. I J ( )i jxf i jx i jy La solution du problème est donnée par les actions exercées par les nœud I et L sur la poutre [I-J] { } { } Jji ijjiijji IJJ Iij ijijijij IJI zM yVxN F zM yVxN F         + =         + = 0 00 ][0 00 ]/[ Les équations d'équilibre de la poutre deviennent :      +−++= +−++= 0 2 0 2 )( 642 )( 624 jijiijjiijji ijjiijjiijij Mvv L EI L EI L EI M Mvv L EI L EI L EI M ωω ωω ( ) ( )     +−−+−= +−++= 0 32 0 32 )( 126 )( 126 jijiijjiijji ijjiijjiijij Vvv L EI L EI V Vvv L EI L EI V ωω ωω Charge uniformément répartie. Soit à résoudre le problème suivant : I J f i jx i jy On peut résoudre ce problème par la méthode des forces : 121222 2 0 2 000 fL M fL M fL V fL V jiijjiij = − = − = − = C. La Borderie 27/11/08

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