CONTRAINTE

-contrainte

Une contrainte est une pression interne dans un matériau (dans chacun de ses éléments constitutifs), provenant de l'inertie de cohésion, qui s’oppose à une déformation proposée par l'extérieur

Synonymies : résistance mécanique ou module = résistance présentée par un matériau envers une force appliquée sur sa surface.  Stress en anglais

Ces termes sont utilisés en compression, en traction (ou en phase d'extension) , en flexion et pour le cisaillement ou pour ses synonymes (cission et glissement)

On trouve donc dans tous ces domaines la  synonymie entre: module, contrainte et résistance mécanique

Equation aux dimensions structurelles : L-1.M.T-2       Symbole n indicé        

Unité S.I.+ : Pascal (Pa ou N/m²).

Relations avec d'autres unités :

1 U.S. ton per square inch                    vaut 1,544.10Pa

1 kilogramme-poids(ou force) par mm²  vaut 9,806.10Pa

1 mégapascal(MPa) -unité courante-    vaut 10Pa

1 kilogramme-force par cm²(kgf/cm²)     vaut 9,806.10Pa

1 Newton par centimètre carré(N/cm²)   vaut 10Pa

1 millibar(ou 1 hectopascal)                  vaut 10Pa

1 Newton par mètre carré(N/m²)            vaut 1 Pa

 

 COMPOSANTS d'une CONTRAINTE

Pour étudier plus facilement une contrainte, on considère ses éléments :

La contrainte normale est la composante normale à l’élément de surface où apparaît la contrainte

n= F / S + (Mf.l).sinθ / Iq

où nn(N/m²)= contrainte normale du matériau

F(N)= charge (ou force ou poids) normale à laquelle il est soumis

S(m²)= section en cause du matériau

Mf(N-m)= moment de flexion

l(m)= distance de la fibre à l’axe

Iq(m4)= moment quadratique

θ(rad)= angle entr’axes de l’ellipse d’inertie

 

La contrainte tangentielle (de cisaillement) est la composante tangentielle à l’élément de surface où apparaît la contrainte et qui entraîne un cisaillement (glissement des fibres du matériau avec tendance à cassure)

n= Ft / S+ (MG.l) / Ip

avec nt(N/m²)= contrainte tangentielle

Ft(N)= effort tranchant

Sr(m²)= section réduite

MG(J-couple)= moment (du couple) de torsion

l(m)= distance de la fibre à l’axe

Ip(m4)= moment polaire

 

Les lignes de champ des contraintes principales.

Leur équation différentielle de représentation est:

(dy / dx)² + Δn.dy / nt.dx -1 = 0

où x et y sont les coordonnées, nt la contrainte tangentielle et Δn la différence entre contrainte normale et contrainte tangentielle

Une ligne de champ est le lieu géométrique d'une ligne parallèle à la ligne moyenne.

Une ligne isostatique est celle où toutes les contraintes sont les mêmes

Une fibre neutre est celle où il n'y a pas de contrainte interne

 

CERCLE de MOHR  

Afin de suivre les variations de 2 contraintes en fonction des efforts appliqués, on établit une courbe (qui est un cercle) dont les coordonnées sont :

-en abscisse, la contrainte normale à la section de la pièce

-en ordonnée, la contrainte de cisaillement

Par ailleurs, le nombre de Weissenberg  est le rapport entre la contrainte d'élasticité et celle de cisaillement

 

 CONTRAINTES DE SÉCURITÉ

  Pour le travail pratique avec un matériau, on se doit de rester dans des limites de sécurité, d'où l'application de facteurs limitant l'usage en dessous de limites dangereuses.On surveille donc:

 -la contrainte de sécurité (ns)(ou limite recommandée, ou limite de sécurité)

 Synonyme à éviter: coefficient de travail, ou taux de travail, car il s'agit pour ces 2 termes d'un coefficient de sécurité (donc un pourcentage yp  et pas une contrainte)

 Utilisée en compression, en traction, en flexion et en cisaillement, ns  est la contrainte à laquelle un matériau peut travailler, car on a déjà appliqué le coefficient de sécurité, qui rabaisse notablement la limite naturelle de résistance du matériau (elle-même limite de ses déformations permanentes)

 

 Symbole de grandeur : ns       Unité S.I.+ : N/m²(ou Pa)

 Unités d’usage : le mégapascal MPa (qui vaut 10Pa)--le kgp/mm²( qui vaut environ 10Pa, soit # 10 MPa)--le kgp/cm²( # 10Pa)

 

Formules générales pour la contrainte de sécurité

  ns = yp.F /S    et ns = nd.yp

  yp(nombre)= coefficient de sécurité

 ns(N/m²)= contrainte de sécurité -ou résistance de travail- d’un matériau élastique

  F(N)= force à laquelle est soumise la section S(m²) au maxi avant déformation

 nd(N/m²)= contrainte caractéristique du matériau, limite avant ses déformations permanentes

 yp(nombre)= coefficient de sécurité (taux de travail)

 

Valeurs pratiques de la contrainte de sécurité (en kgp/mm², soit # 10Pa soit # 10 MPa)

 -A la traction: métaux nobles(9 à 25)--acier(10 à 18)--métaux courants(1 à 8)--bois(0,6 à 1,2)--matériaux de construction(1,5 à 6)

  -A la compression: métaux nobles(9 à 25)-- acier(10 à 18)--métaux courants(1 à 8)--bois(0,4 à 0,9)-- matériaux de construction(1 à 4)

 -Au cisaillement: acier(8 à 13)--métaux courants(0,6 à 5)--bois(0,1 à 0,2)--matériaux de construction(0,1 à 1)

 

 Application pour les compression et traction :

  n= yp/ S       et   n= nd.yp  comme ci-dessus

  

Application pour la flexion:

 La contrainte (normale) donnant la flexion maximale acceptable pour un matériau soumis à un moment fléchissant est dénommée aussi "limite de travail": puisque c'est la valeur à laquelle on peut faire travailler un matériau (on a déjà appliqué le coef. de sécurité déterminé par l'usage)

 avec ns(N/m²)= contrainte de sécurité (donc maximale à l'usage) pour un travail en flexion

 Mf(N-m)= moment fléchissant

 Vr(m3)= module de résistance, qui est lui-même = I/  lf

 Iq(m4)= moment quadratique de la section par rapport à l’axe

  et lf(m)= distance entre l’axe de la poutre et sa fibre la plus lointaine

  Nota: le module de résistance ci-dessus (I/ lf) est souvent symbolisé dans les ouvrages techniques sous la forme (I / v)

 Application pour la torsion

 La contrainte (ou module) de torsion η* est une contrainte (pression) ramenée à l'angle θ de torsion

  Symbole de grandeur : η*      Unité S.I.+ : Pa/rad

 η*(Pa/rad)= module de torsion

 nG(N/m²)= contrainte de cisaillement (Voir valeurs chapitre Module)

 MΓ(J-couple)= moment de torsion, qui vaut 2F.l/ θ   où lr(m) est le rayon du cercle décrit quand les forces sont distantes de 2 lr

  θ(rad) est la rotation

 

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