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Notions sur la stabilité des structures

Notions sur la stabilité des structures

Durant tout le cours nous avons utilisé, pour expliquer le fonctionnement des structures porteuses, des modèles structuraux avec des éléments tendus ou comprimés, permettant de visualiser le flux des forces. Pour décrire le comportement des éléments soumis à la traction et à la compression nous avons utilisé de la relation, dépendant du matériau, entre effort et allongement. Dans le cas des arcs nous avons déjà mis en évidence une différence substantielle entre les structures tendues et celles comprimées : dans ces dernières, les excentricités de l’effort peuvent provoquer la rupture par instabilité. Cette tendance se manifeste lorsque les structures ont un grand élancement.

Dans cette dernière partie du cours nous voulons nous occuper des problèmes de stabilité, en commençant par comprendre quels sont les grandeurs gouvernant la stabilité pour le cas des barres comprimées. Ensuite nous passerons de la structure élémentaire à celles plus complexes, pour lesquelles les critères d’évaluation de la stabilité et les possibilités conceptuelles pour leur contreventement seront discutés.

Modèle de barre élémentaire comprimée, flambage

Le cas élémentaire de la barre comprimée

Chacun peut remarquer qu’en appuyant une baguette mince perpendiculairement au sol et en appliquant une force dans l’axe avec les mains, celle-ci à tendance à flamber, c’est-à-dire à perdre la capacité d’amener la force appliquée au sol par l’effet d’une flexion soudaine. Le phénomène est d’autant plus évident que la barre est souple. Cette simple expérience est de grande importance dans la conception des structures. Si une barre comprimée n’est pas suffisamment rigide, la flexion provoquée par une faible excentricité de l’effort peut être amplifiée et amener à sa ruine par instabilité. La stabilité de la barre, comme nous le verrons, dépend de la rigidité du matériau, de sa section et de la manière dont elle est appuyée à ses extrémités. Sur la base de ces notions fondamentales le concept d’élancement d’une barre et l’influence du choix de la forme et de la distribution des sections sur la stabilité seront discutés.

Gare du “13 mai” à San Paolo, Brésil, arch. João Walter Toscano, 1985

Le contreventement des structures porteuses

Quand plusieurs éléments soumis à la compression composent une structure complexe, celle-ci doit être stabilisée par une structure de contreventement, qui a le but de garantir par sa résistance et sa rigidité le maintien de la forme de la structure porteuse sous l’effet d’actions déstabilisantes quelconques. Dans les bâtiments, le but de la structure de contreventement est de stabiliser les éléments de la structure porteuse verticale. Une vérification de la stabilité peut être conduite facilement en vérifiant d’abord si une rotation libre des éléments structuraux comme dans un mécanisme est possible et ensuite en analysant quels éléments structuraux sont soumis à une force déstabilisante.

Les possibilités conceptuelles pour contreventer les structures porteuses sont illustrées à partir d’une simple expérience menée sur un modèle. On reconnaît alors les deux possibilités fondamentales garantissant la stabilité d’une structure porteuse pour un édifice : lier de manière rigide les éléments verticaux comprimés avec les éléments horizontaux pour créer une action de cadre, ou bien introduire des éléments supplémentaires avec des fonctions de stabilisation (parois ou barres de contreventement).