Une ferme est une structure très souvent utilisée en génie civil, comme les ponts, bâtiments en acier, tours et structures de toit (comme on le voit dans l'image ci-dessous). Ils apparaissent également dans de nombreuses structures mécaniques et aérospatiales telles que les grues, plateformes offshore, structures spatiales, etc.

Ferme de toit en bois
Les fermes se composent de membres droits qui sont reliés les uns aux autres aux deux extrémités de chaque membre. Tous les membres d'une structure en treillis sont reliés entre eux par des joints à broches, de telle sorte qu'aux fins de la conception de ces structures, nous supposons que les joints ne peuvent supporter ou résister à aucun moment.

Habituellement, les assemblages sont formés par boulonnage ou soudage des éléments d'extrémité ensemble sur une plaque commune, appelé un gousset (illustré ci-dessous). Toutes les charges externes agissant sur une ferme sont supposées agir uniquement au niveau des joints, et donc, tous les membres d'une ferme sont des membres à deux forces. Les éléments individuels ne sont pas soumis à des moments de flexion et des forces de cisaillement, mais sont soumis uniquement à des forces axiales qui sont soit une compression, soit une traction.

Habituellement, les fermes sont en acier, bois et très rarement en béton et aluminium.

Plaque à gousset

Pourquoi sont-ils si efficaces sur de longues portées?

1. Les forces de transfert des systèmes de fermes axialement

Les fermes sont beaucoup plus adaptées aux longues portées que les poutres pleines en raison de la direction et du type de force qu'elles contiennent. Comme mentionné, les éléments de la ferme sont reliés par des joints de goupille, ce qui signifie qu'il y a pas de forces de cisaillement et de moment internes, et les forces sont appliquées axialement à l'élément.

Considérez un toit en pente, avec des charges ponctuelles appliquées le long de la travée (modélisé en utilisant gratuitement SkyCiv calculatrice de fermes):

Ces charges ponctuelles sont transférées aux forces axiales internes sur l'élément, avec peu ou pas de moment interne ou de cisaillement:

Forces internes après analyse statique linéaire, également analysé dans SkyCiv calculatrice de fermes

2. Les membres sont plus forts axialement

Le fait que les forces sur chaque élément de la ferme soient axiales est la clé de l'efficacité d'une ferme pour les longues portées.. Dans un élément chargé axialement, la force est portée de manière égale par chaque partie de l'élément - aucun matériau n'est gaspillé. Comparez ceci à un faisceau. Quand on charge une poutre au centre, les contraintes y sont bien plus élevées que partout ailleurs - les contraintes sont concentrées. Le matériel éloigné du centre ne fait tout simplement pas autant de travail, abaisser l'efficacité de la structure et la rendre plus lourde:

Truss efficace
Aussi, dans une structure en treillis, les forces sont axiales. Ça signifie, que chaque élément de ferme a la même intensité de force axiale sur l'ensemble de l'élément (compression ou tension uniforme). Par conséquent, la force et les contraintes sont réparties sur tout le membre. À cause de ce, les membres de la ferme peuvent être plus légers, et aura toujours une capacité de charge plus élevée et des sections transversales utilisées plus efficacement.

Élément chargé axial de l'efficacité de la botte
En général, l'efficacité globale d'une ferme est optimisée en utilisant moins de matériau dans les membrures et plus dans les éléments de contreventement. Ceci est particulièrement utile sur des portées plus longues que sur des alternatives telles que des poutres en béton ou du béton précontraint. Les éléments de ferme peuvent rester légers et l'utilisation de matériaux peut être réduite en utilisant un système d'éléments en acier sur une grande section de béton. Les éléments de poutre ont tendance à s'affaisser lorsqu'ils sont chargés et sont plus sensibles aux augmentations de portée que l'exigence d'une résistance accrue.

Conceptions alternatives

Béton précontraint est une structure alternative pour les structures de longue portée. Bien que ce soit une structure plus simple, c'est beaucoup moins efficace qu'une poutre. Les éléments en béton précontraint doivent résister à d'énormes contraintes de flexion, et ne fait qu'empirer au fur et à mesure que la portée augmente. Donc plus la durée est longue, plus il faut de béton.

Ponts à haubans Une conception efficace pour les longues portées, cependant nécessitent encore une grande utilisation de matériel pour soutenir les câbles. Les câbles sont aussi efficaces que les membres de fermes, puisqu'ils transfèrent la force en tension, Cependant, la structure externe pour soutenir ce système pourrait être inefficace et lourde.

3. Résumé

Les fermes sont généralement utilisées comme structures de toiture des bâtiments de grande portée et aussi dans les ponts, tours, grues et passerelles. Ils ont une capacité de charge plus élevée et des sections transversales utilisées plus efficacement.

Cela est dû au fait que leurs connexions épinglées transfèrent les forces axialement et qu'il y a très peu de moment de flexion et de forces de cisaillement dans les éléments.. Les éléments sont plus efficaces pour supporter les charges axiales car les contraintes sont uniformément réparties, plutôt que des charges transversales concentrées. Cette combinaison rend les systèmes de fermes plus efficaces que les alternatives à un seul élément (par exemple. béton précontraint).

Les fermes permettent aux ingénieurs de créer de grands espaces ouverts avec moins de matériaux. L'utilisation de moins de matériaux permet également aux entrepreneurs de construire à bas prix. N'hésitez pas à commencer à modéliser ou à concevoir votre structure en treillis à l'aide de SkyCiv's Free Calculatrice de chevrons de fermes ou de toits.