Module 4 – Les structures et les forces Thème 5 – Comment les

Module 4 – Les structures et les forces
Thème 5 – Comment les structures
s’écroulent
Aucune structure ni aucun matériau n’est parfait. Si une force assez grande agit sur la structure, celle-ci
s’écroulera. Même de petites forces peuvent causer des dommages si elles agissent sur les parties
vulnérables. Lorsque les ingénieurs comprennent pourquoi certaines structures peuvent s’écrouler, ils
peuvent concevoir des structures résistantes et durables.
Les leviers créent de grandes forces
Les structures à ossature faites de longues pièces de bois ou d’acier peuvent subir des défaillances
lorsque des forces agissent sur elles. Ces défaillances peuvent être causées par la force que génère
l’effet de levier. Un levier est un instrument qui peut modifier la force nécessaire pour déplacer un
objet. Certains types de leviers sont faits d’une longue tige qui repose sur un pivot, appelé point
d’appui. Lorsque l’on applique une fore externe à un levier, on crée une force assez grande pour
soulever une charge lourde. Avec une pince à levier on peut soulever des objets très lourds ou séparer
des morceaux de bois cloués ensemble.
Un effet de levier peut involontairement endommager une structure. Des vents forts peuvent exercer
une force externe qui fait courber la structure (Voir Figure 4.41 – Mât de drapeau). Même une légère
flexion peut exercer une grande force sur un côté de la base. La base agit alors comme un levier. Puisque
la force externe pousse un côté de la base vers le bas, l’autre côté pousse la charge du mât vers le haut.
Des vents forts peuvent produire d’autres forces qui peuvent même causer des défaillances d’ordre
structurel.
La défaillance des matériaux
Des forces externes peuvent engendrer des forces internes dans la structure. Chaque type de force
interne peut causer certains types de dommages.
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Le cisaillement – Les matériaux solides ne sont jamais parfaitement uniformes. Ils ont presque
toujours des fissures ou des faiblesses microscopiques. Lorsqu’un matériau solide est comprimé,
la fissure peut s’agrandir ou s’ouvrir complètement. Une section peut subir un cisaillement
(glisser sur une autre section le long de la faiblesse). Le poids d’un bâtiment peut comprimer le
sol et causer son cisaillement ou son déplacement latéral. Le sol sous le bâtiment s’enfonce, et
le bâtiment s’incline ou s’écroule.
La flexion ou le gauchissement – Si tu exerces une pression sur une boîte de conserve, le métal
mince plie, et la boîte gauchit (se déforme) sous la force de compression que tu appliques. La
même chose se produit avec une feuille de papier que tu plies. Tous les panneaux minces ont
une tendance à plier et gauchir lorsqu’ils sont comprimés. Les forces de compression font plier
les matériaux vers l’intérieur de la courbe, tirent sur l’extérieur de celle-ci et causent des
cassures soudaines.
La torsion – Les forces de torsion peuvent aussi causer la défaillance des matériaux. Les
structures fragiles, comme le spaghetti non cuit et les ustensiles en plastique, cassent
généralement lorsqu’on les tord. Il est plus difficile de causer le cisaillement de structures
flexibles comme des élastiques. Les forces de torsion les font plutôt plier et se tordre, et elles
forment des nœuds. Bien que la structure ne soit pas brisée, elle a perdu sa forme, ce qui est
aussi un type de défaillance.
On utilise des pièces d’appui et des longerons pour renforcer de gros bâtiments, des navires, des avions,
etc. Ils sont parfois cachés sous un revêtement extérieur et ne sont pas facilement visibles. Ces
méthodes de renforcement peuvent empêcher les ruptures en cisaillement, en flexion, en
gauchissement et en torsion.
Mettre la tension à contribution
La cassure soudaine, la torsion, le gauchissement, la flexion et le cisaillement sont tous des défaillances
des matériaux et des structures.
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Le gauchissement – Les pare-chocs d’automobiles et le métal de la carrosserie peuvent être
conçus pour gauchir lors d’une collision. Lorsque le métal se déforme, il absorbe une partie
de l’énergie de l’impact.
Le cisaillement – L’hélice d’un moteur hors-bord est reliée à l’arbre de transmission par une
goupille de cisaillement. Si l’hélice reste prise dans les plantes, la goupille casse, ce qui
permet au moteur et aux engrenages de tourner librement plutôt que d’être endommagés.
La torsion – Les rouets tordent et serrent les fibres de coton ou de laine pour les attacher
ensemble. Le fil retors (réuni par torsion) est beaucoup plus résistant et est assez long pour
tisser des tricots ou des tissus pour fabriquer des vêtements.
La fatigue du métal
Les métaux s’affaiblissent lorsqu’ils sont continuellement pliés ou tordus. Dans la partie pliée ou tordue
d’une structure métallique, l’organisation des particules est changée. À l’endroit où les particules sont
séparées, les forces qui les tiennent ensemble faiblissent. Si un assez grand nombre de particules sont
affectées, de petites fissures se forment. Le matériau peut subir une défaillance s’il est soumis à une
petite tension à laquelle il aurait facilement résisté quand il était neuf. Les ingénieurs appellent cet
affaiblissement fatigue du métal.