Qu'est-ce qu'une charge structurelle?
La charge structurelle est le poids total d'un bâtiment, d'un pont ou d'un autre objet. Cette valeur inclut le poids de l'objet, les équipements installés et les effets potentiels du temps et des personnes. Les charges créées par le poids de la structure sont normalement appelées charges statiques, et les charges dues aux occupants ou aux effets des conditions météorologiques sont appelées charges actives. Les architectes et les ingénieurs doivent inclure toutes les charges possibles et les facteurs de sécurité adéquats dans la conception de la structure afin de prévenir les pannes de charge.
En prenant comme exemple un bâtiment, la charge statique du bâtiment peut inclure les structures en acier, les sols et les murs intérieurs. Tout équipement installé pour supporter les opérations du bâtiment, tel que les équipements de chauffage et de climatisation, l'éclairage et la plomberie, doit être ajouté aux calculs de charge statique. Ces facteurs ne correspondent qu'à la charge structurelle d'un bâtiment vide et sont bien inférieurs aux exigences minimales de sécurité.
Des charges supplémentaires proviennent du mobilier, du matériel de bureau portable et des effets personnels apportés au bâtiment. Les personnes qui travaillent dans le bâtiment et tous les visiteurs constituent une charge de travail en constante évolution qui doit être structurellement soutenue par le bâtiment. Les vents, la neige ou les fortes pluies peuvent peser lourdement sur la structure du bâtiment et doivent être inclus dans les calculs de charge structurelle.
De nombreux gouvernements fixent des exigences de charge minimale pour différents types d’opérations de construction. Les exigences de charge d'un immeuble de bureaux peuvent être différentes de celles d'une opération de fabrication avec de gros équipements positionnés sur les étages. Une autre considération pour les bâtiments industriels est l’effet des vibrations sur le bâtiment, et des calculs de la charge structurelle des vibrations doivent être effectués avec un renforcement supplémentaire du bâtiment et des fondations.
Le matériel en mouvement est également soumis à des considérations de charge structurelle dues aux effets de vibration et de choc. Les aéronefs ont des charges importantes créées par les effets de l'air sur les ailes et la surface extérieure. Les passagers et les bagages ajoutent des charges supplémentaires qui doivent être supportées par le fuselage ou la carrosserie de l'avion, ainsi que par les ailes qui soulèvent toute la structure. Les turbulences, les décollages et les atterrissages sont des chocs dynamiques qui peuvent ajouter des contraintes importantes sur de courtes périodes et doivent être pris en compte dans la conception des aéronefs. Des chocs similaires se produisent sur les camions et les voitures lorsqu'ils empruntent des routes cahoteuses, et le châssis et la suspension du véhicule doivent absorber ces contraintes.
Les ponts ont des considérations de charge structurelle différentes, car ils ne sont souvent pris en charge qu'à chaque extrémité ou avec des piliers ou des colonnes de support réguliers. Le trafic en mouvement crée des contraintes de flexion dans les sections de chaussée non supportées et peut entraîner des contraintes de vibration, appelées harmoniques, susceptibles d'endommager la structure. Les ponts nécessitant des sections non supportées plus longues utilisent souvent des câbles ou d'autres supports pour transférer des charges vers des piliers de fondation ou des colonnes de support de pont principales. Les supports de câbles permettent à la structure du pont d’être moins lourde, car la structure elle-même n’a pas à supporter l’ensemble du pont et toutes les charges vives.
Les conditions météorologiques peuvent créer des charges importantes sur les structures et peuvent constituer un facteur de conception important dans les régions du monde où les vents sont forts ou les chutes de neige abondantes. La vitesse du vent augmente avec l'altitude par rapport au sol, ce qui, dans les zones sujettes aux ouragans, peut créer une charge importante sur l'extérieur et la structure intérieure d'un bâtiment. Les fortes pluies qui se produisent souvent pendant les tempêtes tropicales peuvent ajouter encore plus de charge qui doit être absorbée par le bâtiment. Depuis le début du XXe siècle, de nombreux gouvernements ont défini des exigences en matière de charge structurelle pour les zones touchées par les ouragans. Ils sont révisés de temps à autre, car les tests et enquêtes sur les dommages causés par les tempêtes permettent de mieux comprendre le stress causé par le vent.