vignette| Grange effondrée à ; Gotland; Suède

L'intégrité et la défaillance structurelle est un aspect de l'ingénierie qui traite de la capacité d'une structure à supporter une charge structurelle (poids; force; etc.) sans se briser. Elle comprend l'étude des défaillances structurelles passées afin de prévenir les défaillances dans les conceptions nouvelles.

L'intégrité structurelle est la capacité d'un élément (qu'il s'agisse d'un composant structurel ou d'une structure composée de nombreux composants) à résister collectivement sous une charge, y compris son poids propre, sans se briser ou se déformer excessivement. Il garantit que la construction remplit la fonction prévue lors d’une utilisation raisonnable, tout au long de sa prévue. L'intégrité structurelle des ensembles est prévue à leur conception pour éviter toute susceptible d'entraîner des morts, des blessés ou des dommages graves ou des pertes monétaires.

La défaillance structurelle fait référence à la perte de tout ou partie de l’intégrité structurelle de l'ensemble ou de la capacité structurelle portante d’un composant. La rupture structurelle se produit lorsqu'un matériau de construction est soumis à des contraintes excédant sa limite de résistance, provoquant ainsi une rupture ou des déformations excessives. Un état limite qui doit être pris en compte dans la conception structurelle est la résistance ultime à la rupture. Dans un système bien conçu, une défaillance localisée ne doit pas provoquer un effondrement immédiat ni même progressif de la structure entière.

Introduction L'intégrité structurelle est la capacité d'une structure à résister à la charge prévue sans défaillance due à une rupture; une déformation ou une fatigue. Il s'agit d'un concept souvent utilisé en ingénierie pour produire des articles qui répondront à leurs objectifs et resteront fonctionnels pendant une souhaitée.

Pour construire un article avec intégrité structurelle, un ingénieur doit d'abord prendre en compte les propriétés mécaniques d'un matériau; telles que la ténacité; la résistance; le poids; la dureté et l'élasticité; puis déterminer la taille et la forme nécessaires pour que le matériau puisse résister à la charge souhaitée pendant une longue période de vie. Dès lors que les éléments ne peuvent ni se casser ni se plier excessivement; ils doivent être à la fois rigides et résistants. Un matériau très rigide peut résister à la flexion; mais s'il n'est pas suffisamment résistant; il peut devoir être très volumineux pour supporter une charge sans se rompre. D’un autre côté; un matériau hautement élastique se pliera sous une charge, même si sa ténacité élevée empêche la rupture.

De plus; l'intégrité de chaque composant doit correspondre à son application individuelle dans toute structure porteuse. Les supports de pont nécessitent une limite d'élasticité élevée; tandis que les boulons qui les maintiennent ont besoin d'une bonne résistance au et à la . Les ressorts ont besoin d’une bonne élasticité; mais les outils de tournage ont besoin d’une grande rigidité. De plus; la structure entière doit être capable de supporter sa charge sans que ses maillons les plus faibles ne défaillent; car cela peut exercer davantage de contraintes sur d'autres éléments structurels et conduire à des Introduction to Engineering Design: Modelling, Synthesis and Problem Solving Strategies By Andrew E. Samuel, John Weir – Elsevier 1999 Page 3—5Structural Integrity of Fasteners, Volume 2 Edited by Pir M. Toor – ASTM 2000.

Histoire vignette| La pyramide de Meidum fut la deuxième construite par les Égyptiens vers Elle souffrait de nombreux défauts structurels; provoquant son effondrement pendant la construction et laissant le noyau interne debout dans un tas de décombres; ce qui constitue l'une des premières leçons connues en matière de construction à grande échelle. La nécessité de construire des structures intègres remonte aussi loin que l’histoire enregistrée. Les maisons devaient pouvoir supporter leur propre poids; ainsi que celui des habitants. Les châteaux devaient être fortifiés pour résister aux assauts des envahisseurs. Les outils devaient être suffisamment solides et résistants pour faire leur travail. Cependant; la science de la mécanique de la rupture telle qu’elle existe aujourd’hui n’a été développée que dans les années 1920; lorsque Alan Arnold Griffith a étudié la rupture fragile du verre.

À partir des années 1940; les défaillances notoires de plusieurs nouvelles technologies ont rendu nécessaire une méthode plus scientifique d’analyse des défaillances structurelles. Au cours de la Seconde Guerre mondiale; plus de 200 navires en acier soudé se sont brisés en deux en raison d'une rupture fragile, causée par les contraintes créées par le processus de soudage; les changements de température et les concentrations de contraintes aux coins carrés des cloisons. Dans les années 1950, plusieurs De Havilland Comet ont explosé en plein vol en raison de concentrations de contraintes aux coins de leurs fenêtres carrées; ce qui a provoqué la formation de fissures et l'explosion des cabines pressurisées. Les ; causées par des défaillances dans les réservoirs sous pression des chaudières; étaient un autre problème courant à cette époque et causaient de graves dommages. La taille croissante des ponts et des bâtiments a entraîné des catastrophes et des pertes en vies humaines encore plus importantes. Cette nécessité de construire des constructions avec une intégrité structurelle a conduit à de grands progrès dans les domaines des sciences des matériaux et de la mécanique de la ruptureAssuring structural integrity in army systems By National Research Council (U.S.). National Materials Advisory Board, National Research Council (U.S.). Commission on Engineering and Technical Systems, National Research Council (U.S.). Committee on Assurance of Structural Integrity – 1985 Page 1—19Structural Integrity Monitoring By R.A. Collacott – Chapman and Hall 1985 Page 1—5.

Types de défaillance vignette| Effondrement d'un bâtiment à cause du poids de la neige Une défaillance structurelle peut résulter de nombreux types de problèmes; dont la plupart sont propres à différents secteurs et types structurels. Cependant; la plupart peuvent être attribuées à l’une des cinq causes principales.

La première est que la structure n’est pas suffisamment solide et résistante pour supporter la charge; en raison de sa taille; de sa forme ou du choix du matériau. Si la structure ou le composant n'est pas suffisamment solide; une défaillance catastrophique peut survenir lorsque la structure est soumise à des contraintes au-delà de son niveau de contrainte critique. Le deuxième type de défaillance est dû à la fatigue ou à la corrosion, provoquée par l'instabilité de la géométrie, de la conception ou des propriétés des matériaux de la structure. Ces ruptures commencent généralement lorsque des fissures se forment aux points de contrainte; tels que des coins carrés ou des trous de boulons trop proches du bord du matériau. Ces fissures se développent à mesure que le matériau est soumis à des contraintes et à des décharges répétées (chargement cyclique); atteignant finalement une longueur critique et provoquant la rupture soudaine de la structure dans des conditions de charge normales. Le troisième type de défaillance est causé par des erreurs de fabrication; notamment une mauvaise sélection de matériaux; un dimensionnement incorrect; un traitement thermique inapproprié; le non-respect de la conception ou une fabrication de mauvaise qualité. Ce type de défaillance peut survenir à tout moment et est généralement imprévisible. Le quatrième type de défaillance provient de l’utilisation de matériaux défectueux. Ce type de défaillance est également imprévisible; car le matériau peut avoir été mal fabriqué ou endommagé lors d'une utilisation antérieure. La cinquième cause d’défaillance vient du manque de prise en compte des problèmes inattendus. Ce type de défaillance peut être provoqué par des événements tels que le vandalisme; le sabotage ou les catastrophes naturelles. Il peut également se produire si les personnes qui utilisent et entretiennent la construction ne sont pas correctement formés et soumettent la structure à des contraintes excessives.

Défaillances notables

Ponts

Dee bridge

vignette| Le pont de Dee après son effondrement Le Dee bridge a été conçu par Robert Stephenson; utilisant des poutres en fonte renforcées par des entretoises en fer forgé. Le ; il s'effondre au passage d'un train; tuant cinq personnes. Son effondrement a fait l'objet de l'une des premières enquêtes formelles sur une défaillance structurelle. Cette enquête a conclu que la conception de la structure était fondamentalement défectueuse; car le fer forgé ne renforçait pas la fonte et que le moulage s'était rompu en raison de flexions répétéesPetroski, H. (1994) p.81.

Pont ferroviaire du Tay La catastrophe du pont Dee a été suivie par un certain nombre d'effondrements de ponts en fonte; notamment l'effondrement du premier pont ferroviaire du Tay le . Comme le pont Dee; le pont Tay s'est effondré lorsqu'un train est passé dessus, tuant 75 personnes. Le pont a défailli parce qu'il avait été construit en fonte de mauvaise qualité et parce que le concepteur Thomas Bouch n'avait pas pris en compte la charge du vent. Son effondrement a entraîné le remplacement de la fonte par des constructions en acier et une refonte complète en 1890 du pont ferroviaire du Forth; qui est devenu le premier pont au monde entièrement construit en acier.

Premier pont de Tacoma Narrows L'effondrement du pont original de Tacoma Narrows en 1940 est parfois décrit dans les manuels de physique comme un exemple classique de résonance; bien que cette description soit trompeuse. Les vibrations catastrophiques qui ont détruit le pont n'étaient pas dues à une simple résonance mécanique; mais à une oscillation plus complexe entre le pont et les vents qui le traversaient; connue sous le nom de flottement aéroélastique. , l'un des principaux contributeurs à la compréhension de l'aérodynamique des ponts; a écrit un article sur ce malentendu K. Billah and R. Scanlan (1991), Resonance, Tacoma Narrows Bridge Failure, and Undergraduate Physics Textbooks, American Journal of Physics, 59(2), 118—124 (PDF). Cet effondrement et les recherches qui ont suivi ont permis de mieux comprendre les interactions vent/structure. Plusieurs ponts ont été modifiés à la suite de l'effondrement pour éviter qu'un événement similaire ne se reproduise. Le seul décès occasionné était celui d'un chien.

Pont I-35W vignette|200x200px| Les images des caméras de sécurité montrent l’effondrement de l’I-35W en animation; vers le nord.