Flambage

Exemple d'une règle plate en plastique :

• si les extrémités de la règle sont tenues et tirées, la rupture de la règle se produit quand les contraintes de traction deviennent supérieures à la résistance mécanique en traction du plastique ;
• en revanche, si les extrémités de la règle sont tenues et comprimées dans le sens de la longueur, la règle va se plier et se briser avec un effort de compression bien plus faible que celui nécessaire à la rupture en traction.

Ce phénomène est appelé flambage.

En résistance des matériaux (RdM), le flambage est un phénomène d'instabilité élastique mis en évidence lorsqu'une poutre est comprimée ; il se développe un moment de flexion parasite amplifié par les déformations et déplacements de la poutre chargée.

Ce phénomène n'est pas mis en évidence par le modèle RdM classique ou théorie des poutres car ce modèle considère que les efforts de calcul s'appliquent sur la structure non déformée (hypothèses de linéarisation externe et des petits déplacements de la mécanique des solides et de la RdM) et non sur la structure déjà en charge et déformée (théorie du second ordre).

Le flambage se produit d'autant plus facilement que la poutre est élancée, c'est-à-dire de grande longueur et de faible section. Le flambage dépend aussi des conditions aux limites, à savoir la nature des liaisons aux extrémités de la poutre (encastrement ou articulation notamment).

Même si le terme poutre est employé ici, l'hypothèse RdM des petits déplacements doit être abandonnée pour que le modèle soit plus réaliste. Le modèle RdM doit être complété avec les hypothèses supplémentaires que les déformations restent petites mais que les déplacements peuvent être grands ; cela permet de prendre en compte les phénomènes du second ordre négligés dans le modèle RdM.

Ce modèle RdM complété n'est plus linéaire, la résolution se fait par itérations successives jusqu'à convergence éventuelle du résultat. Ce modèle met en évidence des instabilités dont la charge critique d'Euler est un exemple simple.

Comme cette formule ne fait intervenir que des termes issus du modèle RdM élastique linéaire (module de Young et géométrie de la poutre), on dit alors que le flambement est un phénomène d'instabilité élastique. En général le flambement élastique n'est que le début d'un comportement non linéaire bien plus complexe qui une fois amorcé conduit à des déformations plastiques dans le matériau puis à la ruine de la poutre.

Pour une poutre d'inertie constante soumise à un effort normal de compression simple, la charge critique de flambage théorique est donnée par la formule d'Euler :

${\displaystyle F={\frac {\pi ^{2}EI}{l_{k}^{2}}}}$

où

• ${\displaystyle E}$ est le module de Young du matériau ;
• ${\displaystyle I}$ est le moment quadratique de la poutre ;
• ${\displaystyle l_{k}}$ est la longueur de flambement de la poutre.

Cette charge critique est évidemment limitée par la résistance en section de la poutre (à partir d'un certain élancement, la ruine est atteinte avant l'apparition du flambage). Dans le cas réel, la ruine par flambage est atteinte encore plus précocement en raison notamment des imperfections de réalisation ou de mise en œuvre (voir ci-dessous).

Une expérience de démonstration des modes de flambage d'Euler. Cette expérience montre comment les conditions aux limites (rotulée, encastrée, libre) influent la charge critique d'une poutre fine (dans cette expérience, toutes les poutres sont identiques à leurs conditions aux limites près).

Le facteur ${\displaystyle l_{k}}$ représente une longueur équivalente à celle d'une poutre rotulée-rotulée. Il s'agit de la distance séparant deux points d'inflexion de la déformée de la poutre soit la distance entre deux points de moment de flexion nul. Ainsi,

• pour une poutre rotulée aux deux bouts, ${\displaystyle l_{k}=1\times L}$, la longueur de la poutre ;
• pour une poutre encastrée - encastrée mobile (selon l'axe vertical), ${\displaystyle l_{k}=0,5\times L}$ ;
• pour une poutre encastrée-rotulée, ${\displaystyle l_{k}=0,699\times L}$ (le coefficient 0,699 est une approximation) ;
• pour une poutre encastrée-libre, ${\displaystyle l_{k}=2\times L}$.

Le flambage est un phénomène d'instabilité élastique lié au module de Young et indépendant de la limite d'élasticité, utiliser un acier de limite d'élasticité supérieure pour diminuer le flambage est une erreur grave.

Ce problème est sérieusement considéré dans les cas du dimensionnement de poteaux ou de piliers et de bielles en mécanique, éléments nécessairement de grande longueur et soumis à la compression.

On définit habituellement un paramètre géométrique ${\displaystyle \lambda }$, appelé coefficient d'élancement (sans dimension) :

${\displaystyle \lambda ={\frac {l_{k}}{\rho }},\quad {\text{avec}}\quad \rho ^{2}={\frac {I}{S}}}$

où ${\displaystyle \rho }$ est le rayon de giration de la poutre et ${\displaystyle S}$ la section de cette poutre.

Le rayon de giration d'une poutre par rapport à un axe, représente la distance radiale à laquelle toute la matière devrait être concentrée, pour obtenir le même moment quadratique que la poutre réelle.

On peut alors définir un coefficient d'élancement critique ${\displaystyle \lambda _{c}}$ (sans dimension), qui ne dépend que des propriétés du matériau :

${\displaystyle \lambda _{c}^{2}={\frac {\pi ^{2}E}{\sigma _{e}}}}$

où ${\displaystyle \sigma _{e}}$ est la limite d'élasticité du matériau, puis le coefficient d'élancement relatif ${\displaystyle \lambda _{\text{rel}}}$ (sans dimension)

${\displaystyle \lambda _{\text{rel}}={\frac {\lambda }{\lambda _{c}}}={\frac {\lambda }{\pi }}{\sqrt {\frac {\sigma _{e}}{E}}}}$

En pratique, la formule d'Euler n'est pas directement utilisée pour dimensionner une poutre. En effet, la charge critique de flambage d'Euler ne pourrait être atteinte que dans le cas idéal d'une barre parfaitement rectiligne et homogène, sans aucune imperfection géométrique et chargée sans aucune excentricité. Dans la réalité, ces imperfections ont pour conséquence de mener à un flambage précoce de la barre, sous-estimé par la formule d'Euler. Enfin, la charge ultime est évidemment bornée par la résistance de la section en compression pure (${\displaystyle \sigma _{e}S}$).

Pour tenir compte de manière unifiée de ces différentes considérations, la pratique développée habituellement dans les normes récentes consiste à introduire un facteur de flambage ${\displaystyle \chi }$ servant à réduire la résistance en section de la barre (compression simple) ${\displaystyle F_{\text{R}}=\sigma _{e}S}$ pour arriver à sa résistance globale en compression

${\displaystyle F_{\text{R,k}}=\chi \cdot F_{\text{R}}=\chi \cdot \sigma _{e}\cdot S}$.

Ce facteur de flambage, issu de simulations numériques et de résultats expérimentaux, est généralement défini comme suit :

${\displaystyle \chi ={\frac {1}{\Phi +{\sqrt {\Phi ^{2}-\lambda _{\text{rel}}^{2}}}}}\leqslant 1}$

où ${\displaystyle \Phi }$ est un facteur défini selon le matériau utilisé et le type d'imperfections. À titre d'exemple, dans la norme suisse de Construction métallique (SIA 263) ce facteur s'écrit :

${\displaystyle \Phi ={\frac {1+\alpha (\lambda _{\text{rel}}-0,2)+\lambda _{\text{rel}}^{2}}{2}}}$

Dans cette formule, ${\displaystyle \alpha }$ est le facteur d'imperfection du matériau ; il dépend de la direction de flambage considérée et du procédé de fabrication. On remarque que lorsque ${\displaystyle \alpha }$ tend vers 0, la courbe de flambage ${\displaystyle \chi (\lambda _{\text{rel}})}$ se rapproche de la courbe de flambage d'Euler ${\displaystyle 1/\lambda _{\text{rel}}{}^{2}}$.

Lorsque — comme fréquemment — la poutre n'est pas soumise qu'à la compression mais également à la flexion ou à l’effort tranchant, la charge ultime se trouve encore réduite, d'une part car une partie de la résistance est mobilisée pour s'opposer à ces sollicitations, d'autre part car le moment de flexion induit une courbure préalable qui sera amplifiée par la compression. On parle alors d'interaction d'efforts et les critères de rupture sont généralement formulés sur la base de courbes ou formules d'interaction. Ils dépendent notamment des parts relatives des différentes sollicitations dans la sollicitation totale.

En géologie, on trouve aussi le phénomène de flambage, mais à une échelle bien plus grande qu'en Résistance des matériaux. La compression d'une masse continentale importante provoque à l'échelle locale ou régionale la formation d'une chaine de montagne. À l'échelle d'un continent entier, le flambage provoque des séries de « creux » et de « bosses » secondaires^{[réf. nécessaire]}.

Par exemple, la collision alpine, en Europe occidentale, est responsable de la formation ou réactivation d'autres reliefs secondaires dont l'importance diminue à mesure que l'on s'éloigne des Alpes : Massif central (« bosse ») et Limagne (« creux »), la Sologne (« creux »), le Massif Armoricain et les Alpes Mancelles (« bosse », bien que liée aussi à l'ouverture de l'Atlantique), la mer du Nord (« creux », dont l'autre facteur explicatif est aussi l'ouverture de l'Atlantique), le Pays de Caux et le Pays de Bray (« bosses »), les marais et polders de la région de Calais et du Nord de la Picardie (« creux »), le Boulonnais, l'Artois, les Ardennes et l'Eifel (« bosses »), la Flandre (« creux »).

On pourrait décrire de la même façon le contrecoup himalayen : plateau du Tibet (« creux »), Altaï (« bosse »), lac Baïkal (« creux »).

Cependant, le consensus actuel chez les géologues est que la Limagne, et d'une manière plus générale les fossés d'effondrement comme le graben du Rhin, ne relèvent pas de phénomènes de type flambage, mais plutôt à la fusion partielle d'une plaque de croute océanique (subduction) et une érosion thermique de la croute au niveau du futur fossé, un affaiblissement mécanique et la création de fissures^{[réf. nécessaire]}.