Les forces et les charges

• Définir ce qu'est une force et identifier les différentes charges qui s'exercent sur une structure.
• Comprendre comment les forces peuvent déformer ou mettre en mouvement un objet.
• Expliquer les principes de base qui assurent la stabilité d'une structure face aux charges.

Qu'est-ce qu'une force ? Les charges sur une structure

Une force est une action mécanique capable de modifier le mouvement d'un objet ou de le déformer. Elle se caractérise par quatre éléments : un point d'application (où elle s'applique), une direction (ligne d'action), un sens (vers où elle pousse/tire) et une intensité (sa valeur, mesurée en newtons, N). Dans le domaine des structures, on parle souvent de 'charges'. Les charges sont les forces que subit une construction. On distingue principalement deux types. Les charges permanentes (ou poids propre) : ce sont les forces dues au poids de la structure elle-même et de ses éléments fixes (murs, planchers, toiture). Par exemple, le poids des poutres en béton d'un immeuble est une charge permanente. Les charges d'exploitation (ou charges variables) : ce sont les forces qui peuvent changer. Elles incluent le poids des personnes, du mobilier, de la neige accumulée sur un toit, la pression du vent ou encore le trafic sur un pont. Pour un tabouret, ton poids est une charge d'exploitation ! Ces forces s'appliquent en général vers le bas, tirant la structure vers le sol (c'est la pesanteur).

Effets des forces : équilibre, déformation et rupture

Les forces appliquées à un objet produisent différents effets. Le premier est la mise en mouvement. Si les forces qui s'appliquent sur un objet ne se compensent pas, l'objet se met en mouvement (comme une balle poussée). Pour qu'une structure soit stable, elle doit être en ÉQUILIBRE STATIQUE. Cela signifie que la somme de toutes les forces qui s'exercent sur elle est nulle : les forces qui tirent vers le bas (les charges) sont exactement compensées par les forces qui poussent vers le haut (la réaction du sol ou des appuis). Imagine un livre posé sur une table : son poids (vers le bas) est équilibré par la poussée de la table (vers le haut). Le deuxième effet est la DÉFORMATION. Même en équilibre, une force peut changer la forme d'un objet. Si tu appuies sur une gomme, elle se comprime. Si tu tires sur un élastique, il s'allonge. Pour les structures, c'est pareil : une poutre chargée au milieu fléchit légèrement. C'est une déformation élastique (elle disparaît si on enlève la charge). Enfin, si les forces sont trop intenses, on atteint le point de RUPTURE. La déformation devient permanente (plastique) puis la structure casse. C'est ce qu'il faut absolument éviter en ingénierie !

Applications pratiques

Observons ces concepts dans des exemples concrets de notre environnement. Prenons une étagère fixée au mur. Son poids propre et celui des livres sont des charges verticales vers le bas. La stabilité est assurée par les fixations (chevilles et vis) qui exercent une force de réaction vers le haut et vers le mur. Si les fixations sont mal choisies ou trop espacées, l'étagère peut arracher ses fixations (rupture) ou fléchir de façon visible (déformation). Dans un pont à poutres, comme un petit pont routier, le tablier (la partie sur laquelle on roule) supporte le poids des véhicules. Cette charge fait fléchir la poutre principale. Pour limiter cette déformation, on augmente la hauteur de la poutre ou on utilise des matériaux plus résistants comme l'acier. Enfin, pour un immeuble, les charges (poids des étages, du vent) sont transmises verticalement de étage en étage jusqu'aux fondations, qui les répartissent dans le sol. La largeur et la profondeur des fondations sont calculées pour répartir ces énormes forces sur une grande surface de sol stable, évitant ainsi un enfoncement ou un basculement.