En tant qu'ingénieur, c'est mon travail de concevoir et de construire des structures non seulement utiles mais aussi sûres et durables.
Comprendre la force portante est une partie importante de l'ingénierie structurelle.
Lorsque vous divisez la surface portante effective par la charge maximale qu'une colonne, un mur, une semelle ou un joint peut supporter jusqu'à ce qu'il se brise, vous obtenez la force portante.
C'est ce qui empêche mes bâtiments de s'effondrer.
En tant qu'étudiant en ingénierie ou en tant qu'ingénieur, vous devrez concevoir des structures capables de résister aux forces naturelles et humaines.
C'est pourquoi j'ai besoin d'en savoir beaucoup sur la force portante pour m'assurer que mes bâtiments sont sûrs et durent longtemps.
Dans cet article, je plongerai plus profondément dans le monde de la force portante, en explorant les différents facteurs qui l'affectent et comment les ingénieurs peuvent calculer et assurer la stabilité structurelle.
Alors, enfilez votre casque et votre casquette de réflexion et explorons ensemble le monde fascinant de la force portante !
Comprendre la force portante
Définition formelle:
La charge maximale qu'un poteau, un mur, une semelle ou un joint supportera jusqu'à la rupture, divisée par la surface d'appui effective.
La force portante est une idée très importante en ingénierie, en particulier dans des domaines comme la construction et la conception d'avions.
Il fait référence à la quantité maximale de poids ou de pression qu'une structure peut supporter avant de s'effondrer.
Nous parlerons de la force portante, de la limite d'élasticité et de la force portante ultime dans cet article.
Force portante
La charge portante maximale pouvant être placée sur une structure avant qu'elle ne tombe en panne, divisée par la surface qui supporte la charge, est connue sous le nom de force portante.
Comme nous l'avons déjà dit, la force portante d'une structure n'est pas la quantité maximale de poids ou de pression qu'elle peut supporter avant de s'effondrer.
Au lieu de cela, il s'agit de la surface d'appui effective divisée par la charge maximale qu'une colonne, un mur, une semelle ou un joint peut supporter jusqu'à ce qu'il se brise.
La résistance portante peut être mesurée par la résistance à la traction, à la compression, à la flexion et à la flexion, ainsi que la dureté portante.
Cependant, il est crucial de comprendre que la résistance à la traction, à la compression et à la flexion n'est pas directement liée à la résistance portante.
Dans la construction, il est important de connaître la force portante des structures telles que les murs et les colonnes pour s'assurer qu'elles peuvent supporter les charges qu'elles sont censées supporter.
De la même manière, lors de la conception d'un aéronef, la force portante de la cellule doit pouvoir résister aux différentes pressions et forces qui lui sont appliquées lors du décollage, du vol, de la montée, de l'atterrissage et d'autres manœuvres opérationnelles.
Limite d'élasticité
Une autre façon importante de mesurer la force de quelque chose est sa limite d'élasticité.
Elle est définie comme la contrainte maximale que peut supporter un matériau solide lorsqu'il est déformé dans sa limite élastique.
La limite d'élasticité est la contrainte ou la charge maximale qu'un matériau solide peut supporter lorsqu'il est déformé jusqu'à sa limite élastique, ce qui signifie qu'il peut reprendre sa forme d'origine lorsque la charge est supprimée.
La contrainte ou la charge nécessaire pour modifier de façon permanente la forme d'un matériau s'appelle sa limite d'élasticité.
Après ce point, le matériau ne reviendra pas à ce qu'il était.
Dans les matériaux ductiles, la limite d'élasticité est bien inférieure à la résistance ultime, tandis que dans les matériaux fragiles, il n'y a pas de limite d'élasticité, et donc pas de limite d'élasticité.
Force portante ultime
La force portante ultime est la pression maximale qu'un matériau solide peut supporter avant de se briser.
Il est souvent utilisé de la même manière que "résistance à la traction ultime". La force portante ultime et la résistance à la traction ultime sont deux façons de parler de la quantité de contrainte qu'un matériau solide peut supporter avant de se casser.
À partir d'essais de roulements, vous pouvez connaître la limite d'élasticité du roulement et sa contrainte ultime.
La limite d'élasticité des roulements (BYS) est trouvée en traçant une ligne parallèle à la pente initiale de la courbe de déformation des contraintes de roulement à une déformation de décalage de 0,002.
En fin de compte, la force portante, la limite d'élasticité et la force portante ultime sont toutes des idées importantes en ingénierie.
La force portante est le poids maximal qu'une structure peut supporter avant de se rompre, et la limite d'élasticité est la contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de commencer à changer de forme de façon permanente.
La force portante ultime et la résistance à la traction ultime sont deux façons de parler de la quantité de contrainte qu'un matériau peut supporter avant de se casser.
En comprenant ces idées, les ingénieurs peuvent créer des structures et des matériaux sûrs et fiables.
Repousser les limites : l'importance de la force portante dans la conception des bâtiments
Toujours difficile à comprendre ? Je change un peu le point de vue :
Si vous voulez concevoir un bâtiment qui ne s'effondrera pas comme un château de cartes, la clé est de vous assurer qu'il peut supporter le poids de toutes vos attentes déraisonnables, demandes déraisonnables et erreurs inévitables.
Car avouons-le, si vous ne repoussez pas les limites de la force portante de votre bâtiment, vivez-vous vraiment pleinement votre vie ?
D'accord, c'était juste une blague faite pour ressembler à une publicité télévisée.
Revenons maintenant à l'explication.
Facteurs affectant la force portante
Facteurs du sol
L'une des choses les plus importantes qui affectent la résistance d'une structure est le poids qu'elle peut supporter.
Les facteurs de sol suivants affectent la capacité portante du sol :
- Résistance au cisaillement : La résistance au cisaillement du sol est un moyen de mesurer la capacité d'un sol à résister aux forces qui tentent de le séparer.
- Largeur et profondeur de la fondation : La largeur et la profondeur d'une fondation peuvent avoir un effet important sur le poids qu'elle peut supporter.
En général, une fondation peut supporter plus de poids si elle est plus large et plus profonde.
- Poids du sol et tout poids supplémentaire sur celui-ci : Le poids du sol et tout poids supplémentaire sur celui-ci peuvent affecter le poids que le sol peut supporter.
Résistance à la compression du béton
Une autre chose qui affecte la force portante est la résistance du béton lorsqu'il est comprimé.
La résistance à la compression du béton après 28 jours est utilisée pour concevoir les semelles des murs, et il est important d'utiliser un mélange de béton avec la bonne résistance pour l'usage de la structure.
Forme et dimensions de la structure
La résistance d'une structure peut également être affectée par sa forme et sa taille, telles que sa largeur, sa longueur et son épaisseur.
Une structure avec une plus grande surface aura généralement une capacité portante plus élevée.
Répartition de la charge et type de charge
La résistance d'une structure peut être affectée par le type de charge qui lui sera appliquée.
La résistance d'une structure peut être affectée par les surcharges, les charges permanentes et les charges de vent.
Emplacement et orientation de la structure
La résistance de la structure peut également être affectée par l'endroit où elle se trouve et la façon dont elle est installée.
La capacité du sol à supporter le poids peut être affectée par des facteurs tels que le type de sol et le niveau des eaux souterraines.
La force portante d'une structure peut également être affectée par les conditions météorologiques, telles que le vent, la pluie et les changements de température.
Code international du bâtiment
Le Code international du bâtiment contient des suggestions sur le type de fondation à utiliser et sur la manière de la construire.
Parmi ces suggestions, mais pas toutes, figurent les suivantes :
- Capacité du sol naturel ou compacté à supporter du poids.
- Dispositions pour atténuer les effets des sols qui bougent beaucoup.
- Profondeur de la ligne de gel.
- Armature minimale pour les semelles en béton.
- Profondeurs minimales des poteaux en bois à installer dans les semelles en béton.
Facteur de sécurité des roulements
Le facteur de sécurité des roulements est utilisé pour assurer la stabilité structurelle.
Le facteur de sécurité est le rapport entre la charge maximale pouvant être appliquée sur un roulement et la charge maximale pouvant être appliquée sur celui-ci.
On pense qu'une défaillance se produit lorsque le facteur de sécurité est inférieur à 1.
Vous pouvez déterminer la capacité portante admissible avec une équation qui prend en compte les paramètres du sol et la forme de la fondation.
Normes d'évaluation
La qualité de la reconnaissance sur le terrain, de l'échantillonnage du sol et des essais de cisaillement peut affecter la précision des calculs de stabilité.
Pour s'assurer que le facteur de sécurité est correct et fiable, des normes d'évaluation du facteur de sécurité dans l'analyse de la stabilité des fondations ont été élaborées.
En fin de compte, de nombreux facteurs affectent la résistance d'une colonne, d'un mur, d'une semelle ou d'un joint.
Les ingénieurs doivent penser au sol, à la résistance à la compression du béton, à la forme et à la taille de la structure, à la manière dont la charge est répartie et de quel type de charge il s'agit, où et comment la structure est placée, et ce que le Code international du bâtiment dit.
De plus, le facteur de sécurité des roulements est utilisé pour assurer la stabilité structurelle, et des normes d'évaluation sont en place pour garantir des calculs précis et fiables.
Détermination de la force portante des matériaux
Facteurs affectant la force portante
La résistance d'une colonne, d'un mur, d'une semelle ou d'un joint dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que le sol, la conception de la fondation, la forme et la taille de la structure, la répartition de la charge et l'environnement.
Facteurs du sol : la capacité portante du sol est déterminée par trois facteurs du sol : la résistance au cisaillement, la largeur et la profondeur de la fondation, ainsi que le poids et la surcharge du sol.
Lorsqu'une semelle est posée sur un sol qui ne colle pas, sa capacité à supporter le poids dépend de sa largeur.
Les calculs de stabilité peuvent être erronés si la reconnaissance sur le terrain, l'échantillonnage du sol et les tests de cisaillement ne sont pas bien effectués.
Conception des fondations : Le Code international du bâtiment fournit des recommandations pour le type de fondation et les critères de conception, y compris, mais sans s'y limiter, la capacité portante du sol naturel ou compacté, les dispositions visant à atténuer les effets des sols expansifs, la profondeur de la ligne de gel, le renforcement minimum des semelles en béton et le minimum profondeurs d'encastrement des poteaux en bois dans les semelles en béton.
Dimensions et forme du bâtiment : les murs et les colonnes doivent être soutenus aussi près que possible du centre des semelles pour éviter une rupture par cisaillement unidirectionnelle (poutre), qui se produit lorsque la poutre se brise à un angle d'environ 45 degrés par rapport au mur. .
La répartition des charges est la façon dont les charges de la structure, telles que les surcharges, les charges permanentes et les charges de vent, sont réparties.
Les facteurs environnementaux comprennent l'emplacement et l'orientation du bâtiment, ainsi que les conditions du sol et son exposition au vent, à la pluie et aux changements de température.
Détermination de la force portante des matériaux
Le bois, l'acier et le cuivre, par exemple, ont des résistances portantes différentes qui dépendent de leur résistance à la traction, de leur résistance à la compression, de leur dureté, de leur ductilité, de leur élasticité et d'autres propriétés propres à chaque matériau.
Par exemple, la force portante du bois dépend de son grain, de sa densité et de sa teneur en humidité, tandis que la force portante de l'acier dépend de facteurs tels que la composition de son alliage, son traitement thermique et ses dimensions physiques, telles que son diamètre extérieur, son épaisseur de paroi, et longueur.
Résistance à la traction : La résistance à la traction d'un matériau est la quantité de force nécessaire pour le séparer jusqu'à ce qu'il se casse.
Résistance à la compression : Pour déterminer la résistance à la compression d'un matériau, vous mesurez la force nécessaire pour l'écraser jusqu'à ce qu'il se brise.
Force portante des tubes en acier
Le diamètre extérieur, l'épaisseur de paroi et la longueur d'un tube en acier, ainsi que les propriétés matérielles de l'acier, telles que sa limite d'élasticité et sa résistance à la traction ultime, déterminent le poids qu'il peut supporter.
Une calculatrice peut être utilisée par quiconque connaît les exigences de chargement de son application et si le tube sera utilisé comme poutre ou colonne pour déterminer la taille de tube nécessaire.
La force portante des tubes en acier peut être calculée à l'aide d'équations mathématiques ou de programmes informatiques qui tiennent compte de tous ces éléments.
Par exemple, la capacité portante d'un tube en acier peut être calculée à l'aide de la formule d'Euler, qui prend en compte la longueur du tube, la longueur sans support et le moment d'inertie.
D'autres équations, comme la formule AISC de l'American Institute of Steel Construction, peuvent être utilisées pour déterminer la résistance d'un tube en acier sous différentes charges.
Analyse du sol pour la capacité portante
L'analyse du sol est un moyen important de déterminer la solidité des fondations d'un bâtiment et le poids qu'il peut supporter.
Cela implique de soumettre des échantillons de sol à des tests en laboratoire pour connaître leurs propriétés et d'utiliser d'autres méthodes pour déterminer la stabilité du sol.
Tests en laboratoire pour les propriétés du sol :
Les échantillons de sol peuvent être soumis à un certain nombre de tests en laboratoire pour connaître leurs propriétés.
Ces tests comprennent le test consolidé non drainé (CU), le test de compression non confinée, le test de compression triaxiale, le test de boîte de cisaillement, le test de palette, le test de consolidation, le test de gonflement et d'aspiration, le test de perméabilité et les analyses chimiques.
Ces tests sont nécessaires pour décrire et classer le sol et pour prendre note de la couleur, de la texture et de la consistance des échantillons perturbés et non perturbés du site.
Façons de déterminer la résistance du sol :
Différentes méthodes peuvent être utilisées pour déterminer la capacité portante du sol, comme la théorie de la capacité portante ultime de Terzaghi, qui calcule la capacité portante ultime pour les fondations continues peu profondes.
Il utilise une équation qui prend en compte les paramètres du sol tels que la cohésion, le poids unitaire effectif, la profondeur de la semelle et la largeur de la semelle.
Une autre façon de déterminer le poids qu'un sol à grains fins insaturé peut supporter consiste à utiliser la résistance au cisaillement des essais de compression non confinés.
L'équation de capacité portante (drainée) ne fonctionne que pour les semelles peu profondes qui supportent des charges verticales non excentriques.
Utilisation de la résistance à la compression non confinée pour estimer la capacité portante :
La résistance à la compression non confinée ne fonctionne que pour les sols qui collent ensemble.
Il ne peut pas être utilisé pour déterminer le poids qu'un sol non cohésif peut supporter car il nécessite un ensemble de paramètres différent.
L'analyse du sol est un moyen important de déterminer la solidité des fondations d'un bâtiment et le poids qu'il peut supporter.
Les propriétés du sol sont déterminées par des tests en laboratoire, et il existe différentes façons de déterminer le poids qu'un sol peut supporter en fonction de ses propriétés.
Pour les sols cohésifs et non cohésifs, il est important d'utiliser les bonnes méthodes et de prendre en compte les différents paramètres du sol pour chaque méthode.
Force portante de la maçonnerie
Contrainte maximale utilisable pour la maçonnerie en béton
À la fibre de compression extrême de la maçonnerie en béton, la déformation maximale pouvant être utilisée est de 0,0025.
Maçonnerie renforcée
Pour la maçonnerie armée, les contraintes de compression et de traction dans l'armature inférieures à la limite d'élasticité spécifiée sont égales au module d'élasticité de l'armature multiplié par la déformation de l'acier.
Capacité de cisaillement de la maçonnerie
Vous pouvez également déterminer la force portante nominale de la maçonnerie en examinant sa capacité à résister aux contraintes.
Dans une poutre à travée simple, la résistance au cisaillement va de 0 au niveau de l'appui à l'infini au milieu.
Dans les codes et directives de conception pertinents, vous pouvez trouver la formule permettant de déterminer la capacité de cisaillement en fonction de M/Vd.
Considérations importantes pour la conception de la maçonnerie
Il est important de se rappeler que ces calculs sont basés sur certaines hypothèses et codes de conception.
Lors de la conception de la maçonnerie, vous devez réfléchir attentivement à des éléments tels que les types de charges, les propriétés des matériaux et la configuration de la structure.
Avant de faire des calculs ou de prendre des décisions de conception concernant les structures de maçonnerie, il est préférable de vérifier les codes et directives de conception pertinents.
Effets des hautes températures sur l'acier
L'acier est souvent utilisé dans la construction et l'ingénierie, mais lorsqu'il devient trop chaud, il perd sa capacité à supporter du poids.
Environ 425°C est la température la plus élevée au-dessus de laquelle l'acier commence à perdre sa capacité à supporter du poids.
Entre 600°C et 650°C, l'acier perdra la moitié de sa résistance et, selon le poids qu'il porte, il pourra casser.
Aux alentours de 500°C, la résistance de l'acier de construction laminé à chaud perd une grande partie de sa capacité de charge à température ambiante.
À 1100 °F (593,33 °C), l'acier a encore environ 50 % de sa résistance.
Lorsque l'acier fond à environ 2700°F (1482,22°C), il perd toute sa résistance.
La plupart du temps, lors de la conception, on suppose que toute la capacité est perdue à environ 2200°F (1204,44°C).
Effet du feu sur l'acier de construction
Dans l'acier de nuance S275 BS EN 10025, une section d'acier de construction laminée à chaud de nuance S275 qui a été exposée à un incendie et qui a atteint une température supérieure à 600 °C peut perdre certaines de ses propriétés après avoir refroidi.
Peu importe la température du feu, cependant, la limite d'élasticité à température ambiante ou le remplacement ne seront pas nécessaires si l'élément répond à toutes les autres exigences techniques, comme être droit.
Lorsque l'acier de construction de nuance S355 est chauffé à plus de 600 °C dans un incendie, sa limite d'élasticité résiduelle et sa résistance à la traction diminuent également.
Résistance au cisaillement des boulons - Calculs de capacité de charge d'appui, d'arrachement et de cisaillement
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La force portante utilise
Construction de bâtiments :
Les bâtiments et les structures de toutes sortes doivent être suffisamment solides pour supporter leur poids.
Il indique le poids qu'une colonne, un mur, une semelle ou un joint peut supporter avant de se briser.
Les ingénieurs utilisent des calculs appelés "force portante" pour s'assurer que le bâtiment peut supporter son propre poids ainsi que le poids supplémentaire provenant des personnes, de l'équipement et de l'environnement.
Conception du pont :
Les ponts doivent être construits de manière à pouvoir supporter de lourdes charges comme les voitures, le vent et les tremblements de terre.
La force portante des fondations et des structures de support, comme les piliers et les culées, est un facteur clé pour déterminer le poids qu'elles peuvent supporter.
Les ingénieurs utilisent également la force portante pour déterminer le poids qu'une poutre, une poutre ou un câble peut supporter.
Ingénierie mathématique :
En génie mécanique, la force portante est très importante car elle est utilisée pour déterminer le poids que les engrenages, les roulements et les arbres peuvent supporter.
Les ingénieurs utilisent des calculs de force portante pour s'assurer que les pièces peuvent supporter les forces et les contraintes de l'application, comme dans les machines lourdes, les véhicules et les avions.
Entreprise aérospatiale :
La force portante est également importante dans l'industrie aérospatiale, où elle est utilisée pour déterminer le poids que peuvent supporter des pièces comme les ailes, les fuselages et les trains d'atterrissage.
Les ingénieurs utilisent des calculs appelés "force portante" pour s'assurer que l'avion peut supporter les forces et les contraintes qui accompagnent le vol, comme la turbulence, le décollage et l'atterrissage.
Bâtiments en mer :
Lors de la conception et de la construction de structures telles que des plates-formes pétrolières, des éoliennes et des plates-formes en mer, la force portante est un facteur important.
Ces bâtiments doivent pouvoir résister aux intempéries, comme les vents forts, les vagues et les courants.
La force portante est utilisée pour déterminer le poids que les fondations et les structures de support peuvent supporter, ainsi que le poids maximum que l'équipement et les machines peuvent supporter.
L'entreprise minière :
Dans l'industrie minière, la force portante est très importante car elle est utilisée pour déterminer le poids qui peut être appliqué aux structures de support souterraines telles que les piliers et les poutres.
Les ingénieurs utilisent des calculs appelés "force portante" pour s'assurer que les structures peuvent supporter le poids de la roche au-dessus ainsi que les forces et les contraintes causées par le processus minier, comme le dynamitage et le forage.
Conclusion
Alors que nous finissons de parler de force portante, il est important de se rappeler que cette idée est importante non seulement en ingénierie, mais dans la vie en général.
Tout comme un bâtiment a besoin d'une base solide pour se tenir debout, nous avons besoin d'une base solide pour faire face aux défis de la vie.
Nous devons être enracinés dans nos croyances, nos valeurs et nos principes pour résister aux choses qui essaient de nous renverser.
Les bâtiments ne sont pas la seule chose qui doit être solide. Nos vies doivent aussi être fortes.
Nous devons déterminer le poids que nous pouvons porter, trouver la bonne aide et nous assurer que nous avons une base solide sur laquelle nous appuyer.
Donc, avant de quitter cet article, prenez une minute pour réfléchir à votre force.
Sur quoi construisez-vous votre maison ? Combien pouvez-vous transporter ? Et comment pouvez-vous vous assurer d'avoir l'aide dont vous avez besoin pour faire face aux défis de la vie ? Rappelez-vous qu'une vie bien conçue peut durer aussi longtemps qu'un bâtiment bien conçu.
Alors sortez et construisez une vie qui peut soutenir vos rêves.
Liens et références
ACI 318-14 Exigences du code du bâtiment pour le béton structurel et commentaire
Chapitre 3 : Charges de conception pour les bâtiments résidentiels
Exigences minimales recommandées pour la construction de murs en maçonnerie
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