L'ingénierie structurelle a changé mon monde à bien des égards, de la construction de grands gratte-ciel à la construction de ponts qui traversent des rivières entières.
La colonne de poutre simple est l'une des parties les plus importantes de bon nombre de ces bâtiments.
Cette partie de la structure est soumise à la fois à une charge axiale et à des moments de flexion causés par des forces latérales ou l'excentricité de la charge longitudinale en même temps.
De nombreuses merveilles d'ingénierie d'aujourd'hui ne seraient pas possibles sans les colonnes de poutres.
Dans cet article, j'examinerai les colonnes de poutres et expliquerai ce qu'elles sont, comment elles fonctionnent et pourquoi elles sont importantes.
Ce poste s'adresse à tous, que vous soyez un nouvel étudiant en ingénierie ou un ingénieur chevronné qui souhaite apprendre quelque chose de nouveau.
Alors commençons et découvrons ce que sont les colonnes de poutre et ce qu'elles font.
Introduction
DĂ©finition formelle:
Un élément structurel est simultanément soumis à une charge axiale et à des moments de flexion produits par des forces latérales ou l'excentricité de la charge longitudinale.
La colonne de poutre est une partie importante de l'ingénierie utilisée pour soutenir les bâtiments, les ponts et d'autres structures.
Dans cet article, nous examinerons les différentes façons dont les colonnes de poutres sont utilisées dans les projets d'ingénierie et de construction.
Qu'est-ce qu'une poutre poteau ?
Une colonne de poutre est un élément structurel conçu pour résister aux charges sur son axe longitudinal.
On peut l'appeler un élément de compression, ce qui signifie que la majeure partie du poids est appliquée lorsqu'il est comprimé.
Une colonne de poutre peut supporter le poids de poutres, de murs, de dalles et d'autres structures.
Types de colonnes de poutre
Il existe de nombreux types de colonnes de poutres utilisées en ingénierie.
Les colonnes de poutres en acier laminé sont un type de colonne couramment utilisé dans la construction en acier.
Il est fabriqué en roulant des plaques d'acier dans une forme qui peut supporter des charges lorsqu'elles sont pressées ensemble.
- Colonne de poutre en béton armé : ce type de colonne de poutre est en béton et est renforcée avec des barres d'acier.
Il est utilisé pour construire avec du béton armé et est un excellent moyen de déplacer des objets lourds.
- Colonne à poutres en bois : Ce type de colonne à poutres est en bois et est souvent utilisé dans la construction résidentielle.
- Colonne de poutre composite : Ce type de colonne de poutre est fabriqué en combinant deux matériaux ou plus, comme l'acier et le béton, pour créer une structure plus solide et plus durable.
Pourquoi se contenter de moins quand la colonne de poutre vous donne tout ?
Toujours difficile Ă comprendre ? Je change un peu le point de vue :
Vous en avez marre des poutres droites ennuyeuses qui ne peuvent faire qu'une chose à la fois ? Ne cherchez pas ailleurs que la colonne de poutre ! Pourquoi utiliser une simple poutre unidimensionnelle alors que vous pouvez utiliser un élément qui fait tout ?
Oui, la colonne de poutre est la plus performante de l'ingénierie structurelle car elle peut facilement gérer à la fois les charges axiales et les moments de flexion.
Alors pourquoi choisir un seul type de chargement quand vous pouvez tous les avoir ? Avec la colonne de poutre polyvalente, vous pouvez accepter l'étrangeté de la charge longitudinale et ajouter une force latérale à votre vie.
D'accord, c'était juste une blague faite pour ressembler à une publicité télévisée.
Revenons maintenant Ă l'explication.
Matériaux utilisés dans les poutres-colonnes
Les poutres-colonnes peuvent être faites de pierre, de bois, de béton ou d'acier, entre autres.
Dans la construction moderne, cependant, les colonnes en acier en forme de H sont souvent utilisées car elles sont solides et rigides.
Les côtés de bride plus longs de la colonne en forme de H sont plus épais que la pièce d'âme centrale, ce qui lui permet de mieux résister aux forces de compression.
Les bâtiments modernes sont également souvent soutenus par des systèmes de poutres et poteaux en béton armé.
Définition et différences
DĂ©finition de poutre et de poteau
Une poutre est une pièce d'un bâtiment qui est conçue pour résister aux charges par flexion.
Habituellement, il est plat et est maintenu aux extrémités ou sur toute sa longueur.
La plupart des planchers, des toits et des ponts sont soutenus par des poutres.
D'autre part, une colonne est une partie verticale d'un bâtiment qui est conçue pour résister principalement aux charges de compression.
Il est généralement utilisé pour soutenir un bâtiment ou une autre structure et déplacer le poids vers la fondation.
Différences entre poutre et poteau
Il existe quelques différences principales entre les poutres et les colonnes.
- Capacité de charge : les poutres sont principalement conçues pour supporter des charges pliées, tandis que les colonnes sont principalement conçues pour supporter des charges comprimées.
Pour cette raison, les poutres ont tendance à être plus solides lorsqu'elles sont pliées et plus faibles lorsqu'elles sont comprimées, tandis que les colonnes ont tendance à être plus solides lorsqu'elles sont comprimées et plus faibles lorsqu'elles sont pliées.
- Orientation : les poutres sont généralement sur le côté et les colonnes sont généralement sur le dessus.
- Conditions d'appui : les poutres sont généralement soutenues à leurs extrémités ou sur leur longueur, tandis que les colonnes sont généralement soutenues à leur base et à leur sommet.
- Forme de la section transversale : les poutres sont généralement carrées, circulaires ou en forme de I, tandis que les colonnes sont généralement carrées, circulaires ou rectangulaires.
Concepts clés et différences
Une colonne de poutre est un élément d'un bâtiment conçu pour supporter à la fois des charges axiales et de flexion.
Il est utilisé lorsque de lourdes charges doivent être déplacées de la structure à la fondation.
La colonne de poutre va de la sous-structure Ă la superstructure.
C'est un élément clé du déplacement du poids du haut du bâtiment vers la fondation.
Différences entre les poteaux de poutre, les poutres et les poteaux
Voici les différences les plus importantes entre les poteaux de poutre, les poutres et les poteaux :
- Capacité de charge : une colonne de poutre est conçue pour supporter à la fois des charges axiales et de flexion, tandis qu'une poutre est principalement conçue pour supporter des charges de flexion et une colonne est principalement conçue pour supporter des charges axiales.
Un poteau est un élément de compression vertical, tandis qu'une poutre est un élément de compression horizontal.
Une colonne de poutre relie la fondation à la couche supérieure, qui peut être horizontale ou verticale.
En termes de forme de section transversale, une poutre est généralement carrée, circulaire ou en forme de I, tandis qu'une colonne est généralement carrée, circulaire ou rectangulaire.
La section transversale d'un poteau de poutre peut avoir n'importe quelle forme, mais il s'agit généralement d'un mélange de formes carrées et rondes.
- Utilisation : Les poutres sont principalement utilisées pour supporter les planchers, les toits et les ponts, tandis que les colonnes sont principalement utilisées pour supporter le poids d'un bâtiment ou d'une autre structure.
Les colonnes de poutres sont utilisées dans les bâtiments qui doivent transférer des charges axiales et de flexion à la fondation.
Liaison poutre-poteau
Les assemblages poutre-poteau maintiennent les poutres et les poteaux ensemble dans une structure.
Dans cet article, nous examinerons les différents types de connexions poutre-poteau et comment ils aident à maintenir un bâtiment sûr et stable.
Types de connexions poutre-colonne
En fonction de la rigidité de l'assemblage, il existe deux principaux types d'assemblages poutre-poteau : les assemblages flexibles et les assemblages rigides.
- Connexion flexible : dans une connexion flexible, également appelée connexion simple ou connexion articulée, il n'y a pas de transfert de moment entre les pièces connectées.
Il déplace les forces axiales ou de cisaillement, mais pas les moments.
Les connexions flexibles sont souvent utilisées dans les structures où les connexions entre les poutres et les colonnes doivent faire face à de petites torsions ou virages.
- Connexion rigide : Une connexion rigide, également appelée connexion résistante au moment ou connexion fixe, transfère à la fois le cisaillement et le moment entre les pièces qui sont connectées.
Les assemblages rigides sont utilisés lorsque l'assemblage entre une poutre et un poteau doit supporter de grandes torsions ou des forces de torsion.
Connexions spéciales
Pour les joints tordus, les poutres excentriques aux poteaux et les connexions aux âmes des poteaux, des connexions simples peuvent être utilisées.
Ces connexions sont considérées comme spéciales.
En réduisant les sections de poutre, les connexions simples peuvent avoir plus de résistance à être attachées ensemble.
Cela peut se faire en découpant des trous dans l'âme de la poutre ou en découpant une partie des semelles de la poutre (section d'âme réduite).
Facteurs influençant la conception de l'assemblage poutre-poteau
Le type de connexion poutre-colonne utilisé dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que la quantité de poids que la structure peut supporter, les exigences de conception structurelle et les propriétés des matériaux.
Certaines des choses qui affectent la façon dont les connexions poutre-poteau sont faites sont :
- Capacité de charge : L'assemblage poutre-poteau doit avoir une capacité de charge suffisante pour résister aux forces et aux moments susceptibles d'agir sur lui.
- Exigences pour la conception structurelle : la conception de la connexion poutre-colonne doit respecter le code du bâtiment et les spécifications du projet pour la conception structurelle.
- Propriétés des matériaux : La conception doit tenir compte de la résistance et de la rigidité des matériaux utilisés dans l'assemblage poutre-poteau.
Moment maximal et design
Dans la conception structurelle, la capacité d'une structure à résister aux moments de flexion est un élément clé pour s'assurer qu'elle reste stable.
Moment maximal
Les équations et les formules de moment de flexion sont utilisées pour déterminer à quel point une poutre peut se plier.
Le moment maximal est le moment le plus élevé qu'une structure peut avoir sous un certain cas de charge.
Il est important de se rappeler que le cas le plus important pour la conception n'est pas toujours le moment maximal.
En raison de la façon dont les forces de flexion et axiales ou de torsion interagissent, un cas de charge différent avec une valeur de moment inférieure peut finir par être signalé comme le cas le plus important pour la conception.
Moments de conception
Les moments de conception et les moments maximaux ne sont pas la mĂŞme chose.
Les moments de conception sont déterminés en examinant les exigences du code et les facteurs de sécurité, tandis que les moments maximaux sont déterminés en examinant les résultats d'une analyse.
Les moments de conception prennent en compte des éléments tels que les propriétés du matériau, les facteurs de sécurité et les combinaisons de charges en fonction de ce que dit le code.
Les moments de conception sont très importants pour s'assurer que la structure peut supporter les charges qui lui sont appliquées et qu'elle dispose encore de suffisamment d'espace pour la sécurité.
Considérez les éléments suivants pour déterminer le moment de conception :
- Propriétés du matériau : lors de la détermination du moment de conception, la limite d'élasticité et le module d'élasticité de la poutre sont pris en compte.
- Combinaisons de charge : Le moment de conception est calculé en utilisant la liste des différentes combinaisons de charge du code du bâtiment.
- Facteurs de sécurité : Le moment de conception inclut des facteurs de sécurité pour s'assurer que la structure peut supporter des charges supérieures et supérieures aux charges maximales prévues.
Concevoir des colonnes de poutre
Les poutres-colonnes sont des éléments structurels qui sont à la fois comprimés sur leur longueur et pliés sur leur largeur.
Dans les bâtiments, ils sont utilisés pour déplacer le poids de la poutre au-dessus vers la fondation.
Pour concevoir une poutre-colonne, vous devez déterminer son poids et sa taille.
Vous pouvez le faire avec un logiciel comme le calculateur de faisceau/colonne d'Autodesk Inventor ou à la main en utilisant des formules tirées de manuels de génie civil ou de sites Web comme CivilJungle.com ou Civiconcepts.com.
Calcul des charges sur une poutre-poteau
La première étape de la fabrication d'une structure poutre-colonne consiste à déterminer le poids appliqué à la poutre et à la colonne.
La plupart du temps, les charges sont appliquées sur les poteaux à leurs extrémités, ce qui provoque des contraintes de compression axiale.
Parfois, les forces axiales, les forces transversales et les moments de flexion peuvent tous agir sur un poteau (par exemple, des poutres-poteaux).
En divisant la répartition de la charge réelle par la longueur de la poutre, vous pouvez trouver la charge uniformément répartie en kilonewtons par mètre.
Calcul de la taille de la poutre et du poteau
Après avoir déterminé le poids de la poutre-colonne, vous devez déterminer la taille de la poutre et de la colonne en fonction du poids de chacun.
Par exemple, le volume de béton pour une poutre de 230 mm x 450 mm, excluant l'épaisseur de la dalle, serait de 0,23 x 0,60 x 1 = 0,138 m3, et il pèserait 0,138 x 2400 = 333 kg.
De la même manière, le poids total d'une colonne dont la longueur est généralement trois fois sa plus petite largeur de section transversale peut être trouvé en additionnant les poids de toutes ses parties.
Connexion poutre-colonne
Un assemblage poutre-poteau est l'endroit où une poutre et un poteau se rejoignent dans un bâtiment.
Il est composé du joint et des parties des poutres, des poteaux et de la dalle qui se trouvent à côté du joint.
Selon la rigidité de l'assemblage, il existe différents types d'assemblages poutre-poteau.
Une connexion flexible, également appelée connexion simple ou articulée, transfère l'effort tranchant ou axial mais pas les moments.
Une connexion rigide, également appelée connexion résistante au moment ou connexion fixe, déplace à la fois le cisaillement et le moment entre les pièces connectées.
Pour les joints tordus, les poutres excentriques aux poteaux et les connexions aux âmes des poteaux, des connexions simples peuvent être utilisées.
Moment de flexion maximal
Lorsqu'une force extérieure est appliquée à une poutre-colonne, la faisant plier et éventuellement se casser, c'est lorsque le moment de flexion est à son maximum.
Lorsque des supports articulés sont utilisés pour maintenir une poutre continue, des moments de monopolisation se produisent au niveau des supports intermédiaires et des moments d'affaissement se produisent au niveau des travées.
Très proches des appuis intermédiaires se trouvent les points de contre-flexion.
Il est possible que le point de moment maximal soit là où le moment primaire le plus grand est appliqué.
Moments de conception et moments maximaux
Les moments de conception sont déterminés en examinant les exigences du code et les facteurs de sécurité, tandis que les moments maximaux sont déterminés en examinant les résultats d'une analyse.
Lors de la conception des moments, de nombreux éléments sont pris en compte, tels que les propriétés du matériau, les facteurs de sécurité et les combinaisons de charges.
Les moments maximaux ne tiennent compte que des charges appliquées à une structure, et non des exigences de sécurité ou du code.
Rapport d'Ă©lancement
En génie civil, le rapport d'élancement est le rapport entre la longueur d'un poteau et sa plus petite dimension latérale.
Pour le comprendre, divisez la longueur effective de la colonne par son rayon de giration.
Le rapport d'élancement est utilisé pour déterminer le poids qu'une colonne peut supporter avant de se plier.
Si le rapport d'élancement est inférieur ou égal à 12, les colonnes sont considérées comme courtes.
S'il est supérieur à 12, les colonnes sont considérées comme longues ou maigres.
Les colonnes courtes sont contrôlées par leur longueur et leur largeur, tandis que les colonnes longues et fines sont contrôlées par leurs rapports longueur/largeur.
Jointures poutre/poteau
Conseil : Activez le bouton de sous-titrage si vous en avez besoin. Choisissez "traduction automatique" dans le bouton des paramètres, si vous n'êtes pas familier avec la langue parlée. Vous devrez peut-être d'abord cliquer sur la langue de la vidéo avant que votre langue préférée ne soit disponible pour la traduction.
Utilisations de la colonne de poutre
Des ponts:
Les colonnes de poutres sont souvent utilisées pour construire des ponts car elles peuvent supporter les moments de flexion causés par le poids des véhicules ainsi que les forces latérales causées par le vent et les tremblements de terre.
Ils peuvent également être conçus pour s'adapter à différentes portées et charges, ce qui en fait un bon choix pour les ponts à courte et à longue portée.
Bâtiments grands et hauts :
Les colonnes de poutres sont souvent utilisées dans les immeubles de grande hauteur car elles peuvent supporter des poids lourds et résister aux forces du vent et des tremblements de terre.
Ils sont également parfaits pour les bâtiments de grande hauteur car ils peuvent être fabriqués avec différentes longueurs et diamètres.
Cela aide à répartir le poids plus uniformément et rend le bâtiment plus stable dans son ensemble.
Ouvrages industriels :
Parce qu'elles peuvent contenir des équipements et des machines lourds, les colonnes à poutres sont souvent utilisées dans les bâtiments industriels comme les usines et les entrepôts.
Dans ces types de bâtiments, les colonnes de poutres sont souvent utilisées pour supporter les fermes de toit et déplacer le poids du toit vers la fondation.
Bâtiments résidentiels :
Les colonnes de poutres sont également utilisées dans les bâtiments résidentiels, en particulier pour les murs et les fondations des sous-sols.
Ils peuvent également être utilisés comme colonnes de support dans les plans d'étage ouverts pour aider à maintenir la stabilité des étages supérieurs.
Projets d'infrastructure:
Les colonnes de poutres sont fréquemment utilisées dans les projets d'infrastructure tels que les tunnels, les barrages et les murs de soutènement.
Dans les tunnels, les colonnes de poutres soutiennent le toit et les murs.
Dans les barrages, ils aident à répartir uniformément le poids de l'eau sur toute la structure.
Les colonnes de poutres peuvent être utilisées dans les murs de soutènement pour arrêter les forces latérales causées par la pression du sol et l'eau.
Conclusion
Alors que nous terminons notre examen des colonnes de poutres, il est clair que ces éléments de construction sont très importants dans le monde de l'ingénierie.
Des fondations de nos bâtiments aux routes qui relient nos villes, les colonnes à poutres donnent à de nombreuses structures que nous utilisons au quotidien le soutien et la stabilité dont elles ont besoin.
Mais les colonnes de poutre sont également intéressantes car elles nous donnent un regard unique sur la façon dont la forme et la fonction fonctionnent ensemble.
La façon dont une colonne de poutre est fabriquée et mise en place peut avoir un effet important sur l'apparence et la sensation d'un bâtiment dans son ensemble.
Pour cette raison, nous pouvons considérer les colonnes de poutres non seulement comme des outils utiles, mais aussi comme une partie importante de l'ingénierie en tant qu'art et science.
Ainsi, la prochaine fois que vous passerez devant un gratte-ciel ou traverserez un pont, prenez un moment pour apprécier la simple colonne de poutre qui rend tout cela possible.
Liens et références
Introduction à la conception des poteaux en acier ou des éléments de compression
Bâtiment de détail avec de l'acier
Utilisation structurelle du béton
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