Les efforts en matière de structure et de bâtiment : Comprendre les contraintes structurelles et appréhender la notion de résistance des matériaux (RDM).
Dans le domaine du bâtiment et des travaux publics, la compréhension des efforts auxquels une structure est soumise est indispensable pour garantir sa stabilité, sa sécurité, et sa durabilité. Ces efforts, ou actions mécaniques, influencent la conception, le choix des matériaux et les dimensions des éléments de construction.
Ce qui nous intéresse aujourd’hui, c’est de nous familiariser avec ces contraintes pour mieux appréhender nos chantiers, prendre moins de risques, et optimiser nos achats en matériaux. Pour cela, nous devons comprendre que les sections, dimensions, dosages (etc.) dépendent essentiellement de la bonne adaptation aux : Efforts.
Qu’est-ce qu’un effort en bâtiment ?
Un effort est une action mécanique exercée sur un élément de structure. Ces efforts peuvent être dus au poids des matériaux, au vent, aux charges d’exploitation (comme les personnes ou les meubles), aux séismes, etc. Il existe plusieurs types d’efforts, classés selon la manière dont ils agissent sur une pièce de structure.
- L’effort de traction.
- L’effort de compression.
- L’effort tranchant.
- L’effort de cisaillement.
- Le moment de flexion.
- Le moment de torsion.
Les efforts ne sont pas nécessairement logiques de prime abord, il faut parfois aller chercher des sujets subtiles
Par exemple, si une poutre est correctement dimensionnée, est-ce pour autant le cas des étriers ? Ou simplement des vis ?
Les principaux types d’efforts
1. Effort de traction
- Définition : C’est un effort qui tend à étirer un objet. Il agit dans le sens longitudinal en éloignant les extrémités.
- Exemple : Les câbles d’un pont suspendu ou les tiges d’acier dans le béton armé soumis à l’étirement.
2. Effort de compression
- Définition : C’est un effort qui tend à écraser ou raccourcir une pièce. Il agit également longitudinalement, mais en rapprochant les extrémités.
- Exemple : Une colonne ou un pilier supportant un plafond exerce un effort de compression.
3. Effort de cisaillement
- Définition : C’est un effort qui tend à faire glisser deux parties d’un matériau l’une par rapport à l’autre.
- Exemple : Les fixations (comme les boulons ou rivets) soumis à des forces opposées dans un plan.
- Autre exemple : les poutres au niveau des appuis.
Quand vous dimensionnez vos bois de charpente, veillez à correctement dimensionner les accessoires de clouage. Ces derniers sont généralement soumis au cisaillement.
4. Moment de flexion
- Définition : Résulte d’un couple de forces créant une courbure dans un élément. On parle souvent de flexion ou de fléchissement.
- Exemple : Une poutre horizontale soutenant un plancher subit une flexion sous le poids des charges.
Cet effort est souvent associé au calcul de section des poutres ou des solives. C’est un élément que vous pouvez être amené à calculer sur presque tous vos chantiers ! Pour exemple, lorsque vous rénover un platelage bois ou que vous créer un plancher, vous devez maîtriser :
5. Moment de torsion
- Définition : C’est une force qui tend à faire tourner une pièce autour de son axe longitudinal. On parle de torsion.
- Exemple : Un escalier en colimaçon ou un poteau soumis à des charges excentrées.
L’importance de l’étude des efforts
L’analyse des efforts est fondamentale pour :
- Dimensionner correctement les éléments (poutres, dalles, poteaux…)
- Choisir les bons matériaux (béton, acier, bois, etc.)
- Prévoir la déformation des structures
- Assurer la sécurité face aux événements extrêmes (séismes, tempêtes, surcharge…)
Exemples concrets dans un bâtiment
- Les murs porteurs sont en compression.
- Une poutre de plancher subit de la flexion et du cisaillement.
- Les tiges métalliques des structures tendues (tentes architecturales) sont en traction.
- Un axe d’escalier en spirale subit de la torsion.
- Un appui de fenêtre peut être soumis à un effort de cisaillement, surtout si le mur est sollicité latéralement.
Analyse des efforts dans les structures bâties : Typologie et comportements mécaniques
Dans le domaine de la mécanique des structures, les efforts (ou actions internes) sont les réponses d’un élément structurel aux sollicitations externes. Une bonne compréhension de ces efforts est fondamentale pour la conception, la vérification et l’optimisation des ouvrages.
Les structures subissent des sollicitations issues de charges permanentes (G), charges d’exploitation (Q), actions climatiques (neige, vent, température), ou encore actions accidentelles (séismes, chocs).
Ces sollicitations génèrent des efforts internes dans les éléments structurels.
Récapitulatif des contrariétés que peut subir le bâti :
- Charge permanente : La tuile, l’isolant, le poids du matériau lui-même, le faux plafond etc.
- Charges d’exploitation : Les personnes, les véhicules, les meubles, etc.
- Actions climatiques : Surpoids dû à la neige, poussées latérales en cas de fort vent, etc.
- Actions en sinistre : Séisme, mouvement des sols, chocs de véhicules à moteur, chute d’un arbre, incendie, etc.
Classification des efforts internes
Effort Normal de Traction (N > 0)
- Définition : Effort axial provoquant un allongement de la section droite. Le matériau travaille en traction.
- Exemple : Tirants métalliques, suspentes de charpente.
- Conséquences : Augmentation de la longueur, réduction de la section (effet de Poisson).
Effort Normal de Compression (N < 0)
- Définition : Effort axial comprimant la section droite. Le matériau travaille en compression.
- Risques : Instabilité par flambement pour les éléments élancés.
- Exemple : Poteaux, murs porteurs, colonnes.
La capacité d’un matériau à résister en compression se calcule en MégaPascal (MPa). Vous trouverez régulièrement cette notion sur les matériaux de construction de type parpaings, briques, etc. C’est également l’unité de calcul qu’on utilise pour calculer la résistance temporaire (au jeune âge) et la résistance définitive des bétons.
Effort Tranchant (ou effort de cisaillement – T)
- Définition : Effort interne tangentiel à la section droite, généré par des charges transversales.
- Exemple : Zone d’appui des poutres, jonctions poutres-poteaux.
- Conséquences : Risque de glissement interne ou rupture fragile.
Ou plus précisément selon la forme de la section.
Lire mon article sur l’effort tranchant.
Moment Fléchissant (M\_f)
- Définition : Moment provoquant une flexion de l’élément. Résulte d’un couple de forces non alignées.
- Exemple : Poutres, linteaux, dalles.
- Conséquences : Répartition de contraintes normales sur la hauteur de la section.
Moment de Torsion (M\_t)
- Définition : Moment autour de l’axe longitudinal de la pièce.
- Exemple : Poteaux asymétriquement chargés, poutres en porte-à-faux excentré.
- Conséquences : Développement de contraintes de cisaillement circulaires.
Représentation graphique des efforts internes
On les retrouve dans les diagrammes d’efforts :
- N(x) : Diagramme des efforts normaux (traction/compression)
- T(x) : Diagramme des efforts tranchants
- M(x) : Diagramme des moments fléchissants
- Mt(x) : Diagramme des moments de torsion
Ces outils sont essentiels pour le dimensionnement aux ELU (États Limites Ultimes) et ELS (États Limites de Service).
Applications pratiques
| Elément de structure | Effort | Cas pratique |
|---|---|---|
| Tirant métallique | Traction | Pont suspendu, Hauban |
| Poteau en béton | Compression | Terrasses, pilotis |
| Poutre en BA | Flexion / Cisaillement | Plancher, Linteau |
| Voile béton | Compression / Cisaillement | Reprise de charges verticales |
Nota : La résistance des matériaux (RDM) n’est absolument pas en rapport avec la résistance thermique des matériaux « R » qui elle, définit le niveau d’efficacité de l’isolation d’une matière.
Conclusion
L’analyse des efforts dans un bâtiment permet une conception rationnelle et sécurisée des structures. Chaque effort a des implications spécifiques sur le choix des matériaux, les sections, et les méthodes de calculs utilisées (méthodes aux éléments finis, RDM, etc.). La maîtrise de ces notions est donc indispensable pour tout professionnel du bâtiment ou étudiant en génie civil.
Pour les intervenants, en revanche, il ne s’agit pas de savoir réaliser les calculs mais simplement de s’alerter lorsque une situation semble incohérente. Comprendre les efforts permet donc de se questionner et d’anticiper les ouvrages.
Merci pour vos lectures et bon chantier.
Serge USTUN
