L’effort tranchant dans le bâtiment : définition, impact et préconisations pour une meilleure compréhension du dimensionnement des matériaux.
Avant propos
L’effort tranchant est une force interne qui agit perpendiculairement à l’axe longitudinal d’un élément porteur, tel qu’une poutre ou un poteau. Cette notion est souvent liée au moment fléchissant dont nous avons déjà parlé.
Ne vous inquiétez pas, je vais imager simplement le concept et vous le cernerez plus facilement.
Il joue un rôle décisif dans la conception et le dimensionnement des structures en génie civil et dans le bâtiment plus généralement.
Maîtrisé correctement, il permet d’assurer la stabilité et la durabilité des ouvrages. Dans ce dossier nous allons analyser la notion d’effort tranchant, son impact sur les structures, les méthodes de calcul et les préconisations techniques.
Définition et principes fondamentaux
L’effort tranchant correspond à la contrainte interne qui se manifeste lorsqu’une force externe agit sur une structure en décalage avec son point d’application. Il est exprimé en kilonewtons (kN) et peut être représenté par des diagrammes qui facilitent l’analyse des sollicitations.
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En génie civil, l’effort tranchant se manifeste principalement dans les poutres, les dalles et les murs porteurs soumis à des charges verticales. Lorsque ces charges augmentent, l’effort tranchant devient critique, pouvant provoquer des ruptures soudaines si la structure n’est pas correctement dimensionnée.
Pour rappel : Sur l’acier ou le béton, le cisaillement ne prévient pas, le risque est donc important contrairement aux poutraisons en bois dont la déformation progressive permet d’alerter.
Impact de l’effort tranchant sur les structures
Rupture par cisaillement
Un effort tranchant excessif peut conduire à une rupture par cisaillement. Ce type de rupture est souvent fragile et soudaine, contrairement à une rupture en flexion qui présente des signes précurseurs. Il est donc essentiel de bien anticiper les effets du cisaillement pour éviter des défaillances catastrophiques.
- Portes à faux en béton.
- Poutrelles en acier ou en béton.
Sécurité structurelle :
La compréhension et le calcul précis de l’effort tranchant sont essentiels pour assurer la sécurité et la pérennité des bâtiments.
Des efforts tranchants excessifs peuvent entraîner des fissures, des déformations et, dans les cas extrêmes, l’effondrement de la structure. Pour exemple, nous pouvons évoquer le cas de l’effondrement des balcons à Antibes.
Influence sur les matériaux
Les différents matériaux réagissent de manière variée à l’effort tranchant :
- Béton : sensible au cisaillement, il n’a qu’une faible résistance intrinsèque. Des armatures transversales (étriers) sont nécessaires pour absorber ces efforts.
- Acier : résiste bien au cisaillement, mais les jonctions et soudures doivent être minutieusement calculées.
- Bois : sa résistance au cisaillement est variable selon l’orientation des fibres.
Dimensionnement des éléments :
Lors de la conception d’éléments structurels tels que les poutres et les dalles, les ingénieurs doivent calculer l’effort tranchant maximal que ces éléments peuvent supporter.
Cela permet de déterminer les dimensions et le type de matériaux nécessaires pour résister aux charges appliquées.
Le ferraillage du béton notamment, permet de réguler cet effort et de renforcer la résistance au cisaillement.
Méthodes de calcul de l’effort tranchant
Formules générales
L’effort tranchant est déterminé à partir des équations d’équilibre statique. Dans une poutre simplement appuyée soumise à une charge concentrée P au centre, l’effort tranchant maximal est donné par :
\[ V = \frac{P}{2} \]
Pour une charge uniformément répartie q sur une poutre de longueur L :
\[ V = \frac{qL}{2} \]
Diagrammes de l’effort tranchant
Les diagrammes permettent de visualiser l’évolution de l’effort tranchant le long d’une poutre et d’identifier les points critiques où les efforts sont maximaux.
Équations d’équilibre
Les équations d’équilibre statique sont utilisées pour calculer les forces de cisaillement à différents points de la structure.
Normes et réglementations
Les codes de construction fournissent des directives et des formules pour le calcul de l’effort tranchant et le dimensionnement des éléments structurels.
Le calcul est encadré par différentes normes, telles que :
- Eurocode 2 (béton armé)
- Eurocode 3 (structures métalliques)
- Eurocode 5 (structures en bois)
Préconisations pour limiter l’impact de l’effort tranchant
Renforcement structurel
- Ajout d’étriers en béton armé : indispensable pour améliorer la résistance au cisaillement.
- Augmentation de la section des poutres et poteaux : réduit les contraintes internes.
- Utilisation de matériaux composites : comme la fibre de carbone pour renforcer les zones critiques.
L’augmentation de la section transversale de l’élément structurel peut réduire les contraintes de cisaillement.
Prévention des fissures :
L’effort tranchant peut provoquer des fissures diagonales dans le béton armé. Le ferraillage transversal (étriers) est utilisé pour renforcer la résistance au cisaillement et prévenir la formation de ces fissures.
Facteurs influençant l’effort tranchant
Type de charge : Les charges ponctuelles et les charges réparties ont des effets différents sur la distribution de l’effort tranchant.
Portée de l’élément : Plus la portée d’une poutre ou d’une dalle est grande, plus les efforts tranchants peuvent être importants.
Attention aux porte-à-faux.
Matériaux : Les propriétés des matériaux utilisés (béton, acier, bois) influencent leur résistance à l’effort tranchant.
Géométrie de la section : La forme et les dimensions de la section transversale de l’élément structurel affectent sa capacité à résister à l’effort tranchant.
Conception optimisée
- Choix judicieux des appuis : pour minimiser les efforts tranchants.
- Répartition uniforme des charges : évite des concentrations excessives d’efforts.
Certains logiciels de conception permettent de calculer les efforts tranchants tels que Revit Structure ou Robot Structural Analysis. Dans tous les cas, il faudra « mouliner » vos calculs si vous êtes ingénieur, ou bien passer par la case « bureau d’étude ».
Liens utiles
- La contrainte de cisaillement expliquée sur Wikipédia.
- L’effort tranchant sur Robot Structural Analysis.
- Ouvrage sur la résistance des matériaux Librairie Mollat.
Conclusion
L’effort tranchant est un paramètre essentiel à prendre en compte dans la conception des structures.
Une bonne compréhension des forces en jeu, couplée à des calculs rigoureux et l’application des normes en vigueur, permet de garantir la sécurité et la durabilité des bâtiments. Ainsi, l’optimisation du dimensionnement et le choix des matériaux restent des éléments clés pour contrôler l’impact de l’effort tranchant sur les structures.
Merci pour vos lectures et bon chantier.
Serge USTUN.
