Charge structurelle

Une charge ou une action structurelle est une charge mécanique (plus généralement une force ) appliquée à des éléments structurels . Une charge provoque une contrainte , une déformation , un déplacement ou une accélération dans une structure . L'analyse structurelle , une discipline de l'ingénierie , analyse les effets des charges sur les structures et les éléments structurels. Une charge excessive peut provoquer une défaillance structurelle , ce qui doit donc être pris en compte et contrôlé lors de la conception d'une structure. Des structures mécaniques particulières, telles que les avions , les satellites , les fusées , les stations spatiales , les navires et les sous-marins , sont soumises à leurs propres charges et actions structurelles particulières. Les ingénieurs évaluent souvent les charges structurelles en fonction de réglementations , de contrats ou de spécifications publiés. Des normes techniques acceptées sont utilisées pour les tests d'acceptation et l'inspection .

En génie civil , les charges spécifiées sont la meilleure estimation des charges réelles qu'une structure est censée supporter. Ces charges se présentent sous de nombreuses formes différentes, telles que les personnes, les équipements, les véhicules, le vent, la pluie, la neige, les tremblements de terre, les matériaux de construction eux-mêmes, etc. Les charges spécifiées sont également appelées charges caractéristiques dans de nombreux cas.

Les bâtiments sont soumis à des charges provenant de diverses sources. Les principales peuvent être classées en charges vives (charges qui ne sont pas toujours présentes dans la structure), charges mortes (charges permanentes et immobiles, sauf en cas de réaménagement ou de rénovation) et charges dues au vent, comme décrit ci-dessous. Dans certains cas, les structures peuvent être soumises à d'autres charges, telles que celles dues aux tremblements de terre ou aux pressions des matériaux retenus. L'amplitude maximale attendue de chacune d'elles est appelée charge caractéristique.

Les charges mortes sont des forces statiques qui sont relativement constantes pendant une période prolongée. Elles peuvent être en traction ou en compression . Le terme peut faire référence à une méthode d'essai en laboratoire ou à l'utilisation normale d'un matériau ou d'une structure.

Les charges vives sont généralement des charges variables ou mobiles . Elles peuvent comporter un élément dynamique important et peuvent impliquer des considérations telles que l'impact , l'impulsion , les vibrations , la dynamique de ballottement des fluides, etc.

Une charge d'impact est une charge dont le temps d'application sur un matériau est inférieur à un tiers de la période naturelle de vibration de ce matériau.

Les charges cycliques sur une structure peuvent entraîner des dommages par fatigue , des dommages cumulatifs ou une défaillance. Ces charges peuvent être des charges répétées sur une structure ou être dues à des vibrations .

Les charges imposées sont celles associées à l’occupation et à l’utilisation du bâtiment ; leur ampleur est moins clairement définie et est généralement liée à l’utilisation du bâtiment.

Les charges structurelles sont un élément important à prendre en compte lors de la conception des bâtiments. Les codes du bâtiment exigent que les structures soient conçues et construites pour résister en toute sécurité à toutes les actions auxquelles elles sont susceptibles d'être confrontées au cours de leur durée de vie, tout en restant aptes à l'utilisation. Des charges ou actions minimales sont spécifiées dans ces codes du bâtiment pour les types de structures, les emplacements géographiques, l'utilisation et les matériaux de construction . Les charges structurelles sont divisées en catégories en fonction de leur cause d'origine. En termes de charge réelle sur une structure, il n'y a pas de différence entre charge morte ou charge vive, mais la division se produit pour une utilisation dans les calculs de sécurité ou pour faciliter l'analyse sur des modèles complexes.

Pour satisfaire à l'exigence selon laquelle la résistance de conception doit être supérieure aux charges maximales, les codes du bâtiment prescrivent que, pour la conception structurelle, les charges soient augmentées de facteurs de charge. Ces facteurs de charge sont, en gros, un rapport entre la résistance de conception théorique et la charge maximale prévue en service. Ils sont développés pour aider à atteindre le niveau de fiabilité souhaité d'une structure sur la base d'études probabilistes qui prennent en compte la cause d'origine de la charge, sa récurrence, sa distribution et sa nature statique ou dynamique .

La charge morte comprend les charges qui sont relativement constantes dans le temps, y compris le poids de la structure elle-même et les éléments fixes tels que les murs, les plaques de plâtre ou la moquette . Le toit est également une charge morte. Les charges mortes sont également appelées charges permanentes ou statiques . Les matériaux de construction ne sont pas des charges mortes jusqu'à ce qu'ils soient construits en position permanente. La norme IS875 (partie 1)-1987 donne le poids unitaire des matériaux de construction, des pièces et des composants.

Les charges vives, ou charges imposées, sont temporaires, de courte durée ou en mouvement . Ces charges dynamiques peuvent impliquer des considérations telles que l'impact , l'impulsion , les vibrations , la dynamique de ballottement des fluides et la fatigue des matériaux .

Les charges vives, parfois également appelées charges probabilistes, incluent toutes les forces qui sont variables dans le cycle de fonctionnement normal de l'objet, à l'exclusion des charges de construction ou environnementales.

Les charges vives du toit et du plancher sont produites lors de l'entretien par les ouvriers, l'équipement et les matériaux, et pendant la durée de vie de la structure par les objets mobiles, tels que les jardinières et les personnes.

Les charges vives du pont sont produites par les véhicules circulant sur le tablier du pont.

Les charges environnementales sont des charges structurelles causées par des forces naturelles telles que le vent, la pluie, la neige, les tremblements de terre ou les températures extrêmes.

• Charges dues au vent
• Charges de neige , de pluie et de glace
• Charges sismiques
• Charges hydrostatiques
• Les changements de température entraînant une dilatation thermique provoquent des charges thermiques
• Charges de stagnation
• Soulèvement dû au gel
• Pression latérale du sol , des eaux souterraines ou des matériaux en vrac
• Charges provenant de fluides ou d'inondations
• Fonte du pergélisol
• Charges de poussière

Les ingénieurs doivent également être conscients d’autres actions qui peuvent affecter une structure, telles que :

• Tassement ou déplacement des fondations
• Feu
• Corrosion
• Explosion
• Fluage ou rétrécissement
• Impact des vibrations des véhicules ou des machines
• Charges de construction

Une combinaison de charges se produit lorsque plusieurs types de charges agissent sur la structure. Les codes du bâtiment spécifient généralement une variété de combinaisons de charges ainsi que des facteurs de charge (pondérations) pour chaque type de charge afin de garantir la sécurité de la structure dans différents scénarios de charge maximale prévue. Par exemple, lors de la conception d'un escalier , un facteur de charge morte peut être égal à 1,2 fois le poids de la structure et un facteur de charge vive peut être égal à 1,6 fois la charge vive maximale prévue. Ces deux « charges pondérées » sont combinées (ajoutées) pour déterminer la « résistance requise » de l'escalier.

La taille du facteur de charge est basée sur la probabilité de dépasser une charge de conception spécifiée. Les charges permanentes ont de petits facteurs de charge, tels que 1,2, car le poids est généralement connu et pris en compte, comme les éléments de structure, les éléments architecturaux et les finitions, les gros équipements mécaniques, électriques et de plomberie (MEP) et pour les bâtiments, il est courant d'inclure une charge permanente super imposée (SIDL) d'environ 5 livres par pied carré (psf) tenant compte du poids divers comme les boulons et autres éléments de fixation, le câblage et divers accessoires ou petits éléments architecturaux. Les charges vives, en revanche, peuvent être des meubles, des équipements mobiles ou les personnes elles-mêmes, et peuvent augmenter au-delà des montants normaux ou prévus dans certaines situations, donc un facteur plus grand de 1,6 tente de quantifier cette variabilité supplémentaire. La neige utilisera également un facteur maximum de 1,6, tandis que les charges latérales (tremblements de terre et vent) sont définies de telle sorte qu'un facteur de charge de 1,0 soit pratique. Plusieurs charges peuvent être additionnées de différentes manières, par exemple 1,2*Mort + 1,0*Vivant + 1,0*Tremblement de terre + 0,2*Neige, ou 1,2*Mort + 1,6(Neige, Vivant (toit) OU Pluie) + (1,0*Vivant OU 0,5*Vent).

Pour les avions, la charge est divisée en deux grandes catégories : les charges limites et les charges ultimes. Les charges limites sont les charges maximales qu'un composant ou une structure peut supporter en toute sécurité. Les charges ultimes sont les charges limites multipliées par un facteur de 1,5 ou le point au-delà duquel le composant ou la structure va échouer. Les charges de rafale sont déterminées statistiquement et sont fournies par une agence telle que la Federal Aviation Administration . Les charges de collision sont vaguement limitées par la capacité des structures à survivre à la décélération d'un impact majeur au sol . D'autres charges qui peuvent être critiques sont les charges de pression (pour les avions pressurisés à haute altitude) et les charges au sol. Les charges au sol peuvent provenir d'un freinage défavorable ou de manœuvres pendant le roulage . Les avions sont constamment soumis à des charges cycliques. Ces charges cycliques peuvent provoquer une fatigue du métal .