Les logiciels de calcul de structures RFEM 6 et RSTAB 9 sont très efficaces pour simuler la déformation thermique des composants structurels avec l’application des charges de température. Ces logiciels vous permettent de prendre en compte avec précision les effets des variations de température, qui peuvent avoir un impact significatif sur le comportement des matériaux et des structures. En simulant à la fois des changements de température uniformes et non uniformes, RFEM 6 et RSTAB 9 permettent une analyse complète de la manière dont la dilatation ou la contraction thermique peuvent influencer la performance structurelle.
Dans cet article, nous explorerons les principes théoriques des effets thermiques, en nous concentrant spécifiquement sur les effets de membrane et de flexion, et démontrerons comment ces effets thermiques peuvent être modélisés et appliqués dans RFEM 6. À l’aide d’exemples pratiques, vous verrez comment ces déformations liées à la température peuvent être capturées efficacement au sein du logiciel, fournissant des informations précieuses pour la vérification et l’analyse de structures exposées à des températures variables.
1. Effet de membrane (Changement de température uniforme)
Un changement de température uniforme le long de la hauteur d’un composant induit ce que l’on appelle l’effet de membrane. Cela se produit lorsque l’ensemble du composant subit la même variation de température sur toute sa longueur, sans aucun gradient en direction perpendiculaire. Sous un changement de température uniforme, l’élément structurel subit une dilatation ou une contraction thermique sans déformation en flexion.
L’effet de membrane est caractérisé par une déformation uniforme le long de l’axe de la barre, résultant en une déformation purement axiale (Image 1). Lorsque la température augmente, le matériau se dilate le long de l’axe, et lorsque la température diminue, il se contracte. Il est important de noter que cet effet ne génère pas de moments internes ni de contraintes de flexion, mais crée des efforts au sein de la barre si son expansion linéaire est contrainte, comme dans un système statiquement indéterminé.
2. Effet de flexion (Changement de température non uniforme)
Contrairement à l'effet membranaire, une distribution de température non uniforme le long de la hauteur ou de l'épaisseur du composant entraîne une déformation de flexion (Image 2). Cela se produit lorsque la température varie dans la section transversale de l'élément structurel, créant un gradient de température.
Lorsqu’un composant est soumis à un gradient de température, le matériau se dilate différemment à différents points le long de sa hauteur ou de son épaisseur. Cette expansion différentielle provoque des moments internes et des contraintes de flexion, qui n'apparaissent que dans un système statiquement indéterminé, où l'expansion est contrainte. Le composant tentera de se plier en réponse aux variations de température à différentes sections de l'élément, avec la partie supérieure de la section se dilatant plus que la partie inférieure, ou vice versa. Par conséquent, l'effet de flexion peut être compris comme l'élément structurel se pliant en raison du gradient thermique.
3. Effet combiné : membrane et flexion
En pratique, les composants structurels sont souvent soumis à la fois à des changements de température uniformes (effet membrane) et à des gradients de température (effet de flexion). La dilatation thermique totale dans le composant peut ainsi être décrite comme une combinaison de ces deux effets :
- L’effet membrane provoque une déformation axiale (traction ou compression) en raison du changement de température uniforme le long de l’axe de la barre.
- L’effet de flexion produit une déformation de flexion due au gradient de température à travers la hauteur ou l’épaisseur du composant.
Cet effet combiné conduit à une déformation non uniforme (Image 3), car à la fois des efforts normaux et des moments de flexion sont générés au sein du composant, ce qui se produit lorsque le système est statiquement indéterminé et la dilatation est contrainte.
Simulation des déformations thermiques dans RFEM 6
Dans RFEM 6, vous pouvez simuler à la fois les effets de membrane et de flexion en appliquant deux types de charges de température : « Température » et « Variation de température ». Celles-ci peuvent être définies facilement en utilisant la fenêtre « Nouvelle charge de barre », où vous pouvez sélectionner le type de charge approprié dans le menu déroulant « Type de charge » (Images 4 et 5).
1. Type de charge « Température »
La charge « Température » dans RFEM 6 vous permet de spécifier la température supérieure (Tt) et la température inférieure (Tb) du membre. La distribution de la température peut être :
- Uniforme : Lorsque Tt=Tb, ce qui signifie que la barre subit un changement de température uniforme, conduisant à des effets membranaires (sans flexion).
- Non uniforme : Lorsque Tt≠Tb, cela crée un gradient de température à travers le composant, ce qui conduit à la fois à des effets membrane et de flexion.
2. Type de charge « Variation de Température »
La charge « Variation de température » vous permet de définir une température de ligne moyenne (Tc) et de spécifier directement la différence de température ΔT entre le haut et le bas du barre. Une température de ligne moyenne positive signifie que la barre se réchauffe, et une différence de température positive implique que le haut de la barre se réchauffe plus que le bas, induisant une flexion.
Exemples pratiques
Pour mieux comprendre les effets des charges de température, explorons plusieurs scénarios où la même poutre en porte-à-faux est soumise à des conditions de température variables. Dans chaque cas, nous examinerons comment les différentes variations de température peuvent être simulées dans RFEM 6 à l’aide des types de charges « Température » et « Variation de température ». Les deux types de charges peuvent représenter les mêmes effets de température, la seule différence est la manière dont l’entrée est définie. Nous soulignerons comment ces variations influencent le comportement de la poutre, en particulier en termes de flexion et de déformation.
1. Scénario : Système de plancher Chauffant dans un bâtiment
Dans ce scénario, une poutre en porte-à-faux soutient une partie du système de plancher dans un bâtiment, et elle est exposée à une augmentation de température uniforme de 10 °C en raison de l’activation d'un système de plancher chauffant. Le système de chauffage élève la température de la poutre entière uniformément le long de sa longueur, faisant chauffer la poutre uniformément.
Comment appliquer cela dans RFEM 6 :
Ce scénario peut être simulé dans RFEM 6 en utilisant le type de charge « Variation de température », où la température moyenne de l’axe (Tc) est fixée à 10 °C, représentant le réchauffement uniforme de la poutre (Figure 6). La différence de température (ΔT) entre les surfaces supérieure et inférieure de la poutre serait nulle, car l’augmentation de température est uniforme le long de la longueur de la poutre.
La même simulation peut également être effectuée à l’aide du type de charge « Température », où la température supérieure (Tt) et la température inférieure (Tb) sont toutes deux fixées à 10 °C (Image 7). Dans les deux cas, le résultat sera une dilatation uniforme de la poutre ne causant pas de flexion, car l’ensemble de la poutre subit la même dilatation thermique (Image 8).
2. Scénario : Poutre exposée à une source de chaleur
Une poutre en porte-à-faux est située dans un environnement industriel, où l’un de ses côté est exposé à la chaleur. Par exemple, lors d’un processus de fabrication, la poutre peut être soumise à des températures plus élevées (par exemple, 30 °C) d’un côté, tandis que le côté opposé de la poutre reste à une température plus basse (par exemple, 20 °C) ou est protégé de la chaleur.
Comment appliquer cela dans RFEM 6 :
Vous pouvez simuler cela à l’aide du type de charge « Température » avec Tt ≠ Tb (Image 9), où la température supérieure (Tt) est définie comme plus élevée (30 °C) en raison de la source de chaleur, et la température inférieure (Tb) reste plus basse (20 °C). La différence de température entre le haut et le bas de la poutre crée un gradient thermique, ce qui entraîne la dilatation et la flexion de la poutre (Image 10).
3. Scénario : Poutre exposée à un rayonnement solaire inégal
Une poutre en porte-à-faux se trouve dans un environnement extérieur, où une surface est exposée à la lumière du soleil, tandis que la surface opposée est à l’ombre. Par conséquent, une surface de la poutre chauffe à 5 °C, tandis que ’autre reste à -5 °C. Dans ce cas, la température moyenne de l’axe est de 0 °C, mais un gradient de température existe à travers la poutre, avec une surface subissant une température plus élevée que l'autre. L’objectif principal dans ce scénario est de capturer la flexion causée par le gradient thermique créé par la différence de température (ΔT) entre les surfaces supérieure et inférieure de la poutre, conduisant à une flexion due à l’expansion différentielle.
Comment appliquer cela dans RFEM 6 :
Ce scénario peut être simulé dans RFEM 6 à l’aide du type de charge « Variation de température » (Image 11), où la différence de température (ΔT) entre le haut et le bas de la poutre est spécifiée (ΔT=10 °C). La température de ligne moyenne (Tc) est fixée à 0 °C, mais la différence de température (ΔT) est non nulle, ce qui représente le gradient thermique qui provoque la flexion de la poutre. Notez que le type de charge « Variation de température » est utilisé, et il n’est pas nécessaire de définir des températures spécifiques pour les surfaces supérieure (Tt) et inférieure (Tb), l’accent étant mis sur la flexion induite par le gradient thermique créé par ΔT.
Conclusions
En conclusion, RFEM 6 offre une approche flexible pour modéliser les effets thermiques sur les composants structurels, et vous permet de simuler à la fois les effets de membrane et de flexion avec les types de charges « Température » et « Variation de Température ». Ces types de charges permettent des simulations précises des variations de température le long de la longueur et de la hauteur d’une barre, assurant une analyse approfondie des déformations thermiques.
En comprenant comment appliquer efficacement ces types de charges, les ingénieurs peuvent prédire le comportement des composants structurels sous charges thermiques, conduisant à des analyses plus précises et des vérifications optimisées. Qu’il s‘agisse d’un chauffage uniforme, d’une exposition localisée à la température ou de conditions variables, RFEM 6 fournit les outils nécessaires pour gérer les effets liés à la température dans vos structures.
