thematique : les infrastructures etude de cas : la protection contre les risques naturels
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THEMATIQUE : Les infrastructures Etude de cas : La protection contre les risques naturels. Séance 1 Stabilité d’un mur de soutènement. Situation déclenchante. Quand ce sera dégagé, comment pourrons-nous assurer notre sécurité sur cette route ?. Compétences abordées dans cette séance. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
SEMINAIRE ACADEMIQUETOUL - 27 mai 2010
REFORME du LYCEELa CLASSE de SECONDE
Enseignement d’Exploration SISciences de l’Ingénieur
THEMATIQUE :
THEMATIQUE : Les infrastructuresEtude de cas : La protection contre
les risques naturels
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THEMATIQUE :
Séance 1Séance 1Stabilité d’un mur de soutènementStabilité d’un mur de soutènement
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THEMATIQUE :
Situation déclenchanteSituation déclenchante
Quand ce sera dégagé, comment pourrons-nous assurer notre sécurité sur cette route ?
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THEMATIQUE :
Compétences abordées dans cette séanceCompétences abordées dans cette séance
APPROFONDIR LA CULTURE TECHNOLOGIQUEAPPROFONDIR LA CULTURE TECHNOLOGIQUE
Caractériser les fonctions d’un système Caractériser les fonctions d’un système technique (= ouvrage de soutènement)technique (= ouvrage de soutènement)
Établir les liens entre structure, fonction et Établir les liens entre structure, fonction et comportement (= analyse du comportement)comportement (= analyse du comportement)
REPRESENTER - COMMUNIQUERREPRESENTER - COMMUNIQUER
Rendre compte sous forme écrite ou orale des Rendre compte sous forme écrite ou orale des résultats d’une analyse, d’une recherche, résultats d’une analyse, d’une recherche, d’une expérience et d’une réflexion d’une expérience et d’une réflexion (représentation structurelle)(représentation structurelle)
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THEMATIQUE :
Appropriation de la problématiqueAppropriation de la problématique
Questions/réponses : que s’est-il passé Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? ? Pourquoi ?
Questionnement qui doit ressortir de Questionnement qui doit ressortir de la problématique :la problématique :
Que faudrait-il faire pour que cela n’arrive Que faudrait-il faire pour que cela n’arrive plus ?plus ?
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THEMATIQUE :
Bilan des hypothèsesBilan des hypothèsesLe prof note au tableau les hypothèses Le prof note au tableau les hypothèses des différents groupes, (tableau des différents groupes, (tableau interactif, scan de leurs propositions,…)interactif, scan de leurs propositions,…)Les groupes sont formés de façon à ce Les groupes sont formés de façon à ce que chaque élève puisse développer que chaque élève puisse développer l’hypothèse qu’il a formulée (ou celle l’hypothèse qu’il a formulée (ou celle qui en est le + proche): ceux qui qui en est le + proche): ceux qui pensent rouge ensemble, ceux qui pensent rouge ensemble, ceux qui pensent bleu dans un autre groupepensent bleu dans un autre groupe
8SEMINAIRE ACADEMIQUE
TOUL - 27 mai 2010REFORME du LYCEE
La CLASSE de SECONDEEnseignement d’Exploration SI
Sciences de l’IngénieurTHEMATIQUE :
Etude de cas :Comment protéger cette route ?
5 m
7 m
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigationGroupe 1 (4 élèves) : Parois Berlinoises Groupe 1 (4 élèves) : Parois Berlinoises ou parisiennesou parisiennes
Matériel :Matériel :– Un aquarium rempli de sableUn aquarium rempli de sable– Baguettes de balsaBaguettes de balsa– Planchettes de balsaPlanchettes de balsa
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigation
Groupe 2 (4 élèves) : PalplanchesGroupe 2 (4 élèves) : Palplanches
Matériel :Matériel :– Un aquarium rempli de sableUn aquarium rempli de sable– Profilés fins à emboîterProfilés fins à emboîter
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigationGroupe 3 (4 élèves) : Parois ClouéesGroupe 3 (4 élèves) : Parois Clouées
Matériel :Matériel :– Un aquarium rempli de sableUn aquarium rempli de sable– Piques à brochettes en boisPiques à brochettes en bois– Petite grille (simulation Treillis Soudé)Petite grille (simulation Treillis Soudé)
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigation
Groupe 4 (4 élèves) : Parois en Groupe 4 (4 élèves) : Parois en terre arméeterre armée
Matériel :Matériel :– Un aquarium rempli de sableUn aquarium rempli de sable– Planchette de balsa ou cartonPlanchette de balsa ou carton– Languettes en carton (1cm largeur Languettes en carton (1cm largeur
x 15 cm long)x 15 cm long)– Scotch pour fixer les languettes Scotch pour fixer les languettes
aux planchettesaux planchettes
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigationGroupe 5 (4 élèves) : blocs végétalisésGroupe 5 (4 élèves) : blocs végétalisés
Matériel :Matériel :– Un aquarium rempli de sableUn aquarium rempli de sable– Une vingtaine de cylindres en carton coupés dans Une vingtaine de cylindres en carton coupés dans
des rouleaux de papier essuie-tout (hauteur 2cm)des rouleaux de papier essuie-tout (hauteur 2cm)– Des fleurs en plastiqueDes fleurs en plastique
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigation
Groupe 6 (4 élèves) : Murs préfabriqués en LGroupe 6 (4 élèves) : Murs préfabriqués en L
Matériel :Matériel :– Un aquarium rempli de sableUn aquarium rempli de sable– Des cornières métalliques ou boisDes cornières métalliques ou bois
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THEMATIQUE :
Compte-rendu d’investigationCompte-rendu d’investigation
Schéma de mon mur ?Schéma de mon mur ? Problèmes rencontrés ?Problèmes rencontrés ?– Stabilité ?Stabilité ?– Pb fichage ?Pb fichage ?– En phase travaux ?En phase travaux ?– En phase fonctionnement ?En phase fonctionnement ?
Quelles étapes et dans Quelles étapes et dans quel ordre ?quel ordre ?
Et si il pleut sur mon Et si il pleut sur mon terrain ?terrain ?
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THEMATIQUE :
SynthèseSynthèse
Carte mentale
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THEMATIQUE :
Séance 2Séance 2Stabilité d’un mur de soutènementStabilité d’un mur de soutènement
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THEMATIQUE :
Mais que s’est-il passé ici ???Mais que s’est-il passé ici ???
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THEMATIQUE :
Compétences abordées dans cette séanceCompétences abordées dans cette séance
SIMULER, MESURER UN COMPORTEMENTSIMULER, MESURER UN COMPORTEMENT
Identifier un principe scientifique (la poussée) Identifier un principe scientifique (la poussée) en rapport avec un comportement d’un en rapport avec un comportement d’un système ( rupture par renversement)système ( rupture par renversement)
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THEMATIQUE :
Appropriation de la problématiqueAppropriation de la problématique• Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? • Questionnement qui doit ressortir de la problématique :Questionnement qui doit ressortir de la problématique :
Comment assurer la stabilité d’un mur de Comment assurer la stabilité d’un mur de soutènement ?soutènement ?
• L’objectif est que les élèves confirment ou infirment L’objectif est que les élèves confirment ou infirment leurs hypothèses lors des manipulations de la séanceleurs hypothèses lors des manipulations de la séance
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigation• 1ère étape : Nécessité d’ancrer un écran de soutènement 1ère étape : Nécessité d’ancrer un écran de soutènement
– terrasser d’un côté de l’écran de soutènementterrasser d’un côté de l’écran de soutènement– Que se passe t-il ? Que se passe t-il ? À une certaine profondeur, l’écran se renverseÀ une certaine profondeur, l’écran se renverse– Noter la profondeur à partir de laquelle le mur romptNoter la profondeur à partir de laquelle le mur rompt
• MatérielMatériel– Un aquarium rempli de sable secUn aquarium rempli de sable sec– 1 rectangle de balsa fiché dans l’aquarium1 rectangle de balsa fiché dans l’aquarium
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigation• 2ème étape : Mise en évidence de l’effet du chargement du mur2ème étape : Mise en évidence de l’effet du chargement du mur
– On remet le mur en place avec le fichage limite de stabilité vu en 1ère On remet le mur en place avec le fichage limite de stabilité vu en 1ère étapeétape
– On charge le sol derrière le murOn charge le sol derrière le mur– Que se passe t-il ? Que se passe t-il ? On voit le mur qui se renverse à nouveauOn voit le mur qui se renverse à nouveau
• MatérielMatériel– Un aquarium rempli de sable secUn aquarium rempli de sable sec– 1 rectangle de balsa fiché dans l’aquarium1 rectangle de balsa fiché dans l’aquarium– 1 masse de 1 kg (bouteille d’eau pleine)1 masse de 1 kg (bouteille d’eau pleine)
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigation• 3ème étape : Mise en évidence de l’effet de la pression 3ème étape : Mise en évidence de l’effet de la pression
hydrostatiquehydrostatique– On remet le mur en place avec le fichage limite de stabilité vu en 1ère On remet le mur en place avec le fichage limite de stabilité vu en 1ère
étapeétape– On sature le sol derrière le murOn sature le sol derrière le mur– Que se passe t-il ? Que se passe t-il ? On voit le mur qui se renverse à nouveauOn voit le mur qui se renverse à nouveau
• MatérielMatériel– Un aquarium rempli de sable secUn aquarium rempli de sable sec– 1 rectangle de carton fiché dans l’aquarium1 rectangle de carton fiché dans l’aquarium– Une bouteille d’eauUne bouteille d’eau
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THEMATIQUE :
Compte-rendu d’investigationCompte-rendu d’investigationQuelles sont les solutions pour
lutter contre ces facteurs-risques ?Tracer la trajectoire de votre mur lorsqu’il se rompt
Quels sont les facteurs qui entrent en jeu lors de la rupture d’un mur de soutènement ?
fichage
tirants
Barbacanes
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THEMATIQUE :
SynthèseSynthèse
• Comment lutter contre le Comment lutter contre le renversement du mur ?renversement du mur ?
• FichageFichage• Évacuation de l’eau Évacuation de l’eau → barbacanes→ barbacanes• Mise en place de quelque chose pour Mise en place de quelque chose pour
résister à la poussée des terres et aider le résister à la poussée des terres et aider le mur à ne pas basculer mur à ne pas basculer → → tirantstirants
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THEMATIQUE :
Séance 3Séance 3Stabilité d’un ouvrage Stabilité d’un ouvrage
Etude quantitativeEtude quantitative
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THEMATIQUE :
Bizarre bizarre ce renversement, non ??
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THEMATIQUE :
Compétences abordées dans cette séanceCompétences abordées dans cette séance
SIMULER, MESURER UN COMPORTEMENTSIMULER, MESURER UN COMPORTEMENT• Identifier un principe scientifique (répartition triangulaire Identifier un principe scientifique (répartition triangulaire
de la poussée) en rapport avec le comportement d’un de la poussée) en rapport avec le comportement d’un système ( rupture par basculement d’un écran de système ( rupture par basculement d’un écran de soutènement)soutènement)
• Simuler le comportement d’un système technique à partir Simuler le comportement d’un système technique à partir de l’évolution d’un paramètre d’entrée :de l’évolution d’un paramètre d’entrée :
→ → Calcul de la poussée au pied d’un écran de soutènement Calcul de la poussée au pied d’un écran de soutènement
→→ Addition de poussées, représentation graphiqueAddition de poussées, représentation graphique
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THEMATIQUE :
Appropriation de la problématiqueAppropriation de la problématique• Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? • Questionnement qui doit ressortir de la problématique :Questionnement qui doit ressortir de la problématique :
Pourquoi ce mur s’est-il renversé dans ce Pourquoi ce mur s’est-il renversé dans ce sens là ?sens là ?
On devrait rapidement arriver à l’hypothèse que la poussée était plus On devrait rapidement arriver à l’hypothèse que la poussée était plus importante en pied qu’en tête de mur.importante en pied qu’en tête de mur.
C’est ce qu’on va les amener à démontrer.C’est ce qu’on va les amener à démontrer.
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THEMATIQUE :
InvestigationInvestigation
→ → 1 bouteille d'eau en 1 bouteille d'eau en plastique percée de 3 trous plastique percée de 3 trous de même diamètre à 6, 12 et de même diamètre à 6, 12 et 18 cm du bas, bouchon non 18 cm du bas, bouchon non ferméfermé→ → de l’eau pour remplir la de l’eau pour remplir la bouteille jusqu’à 6 cm au bouteille jusqu’à 6 cm au dessus du trou le plus hautdessus du trou le plus haut→ → 1 cuvette assez large pour 1 cuvette assez large pour recueillir l'eaurecueillir l'eau→ → 3 petites boules de pâte à 3 petites boules de pâte à modeler pour boucher les modeler pour boucher les troustrous
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Enseignement d’Exploration SISciences de l’Ingénieur
THEMATIQUE :
Ce qu’on doit observer…Ce qu’on doit observer…
3 jets continus : → un jet de longueur 6 cm si h = 6 cm→ un jet de longueur 12 cm si h = 12 cm→ un jet de longueur 18 cm si h = 18 cm
La pression de l’eau exercée sur une face verticale dépend donc de la hauteur d’eau (h) au dessus de ce point.
21/04/23 SEMINAIRE ACADEMIQUE
TOUL - 27 mai 2010REFORME du LYCEE
La CLASSE de SECONDEEnseignement d’Exploration SI
Sciences de l’IngénieurTHEMATIQUE :
Compte-rendu d’investigation• Quelle est l’allure de la répartition de la
pression de l’eau sur un mur de soutènement ?Profondeur: 0
Jet à h = 6 cm
Jet à h = 12 cm
Jet à h = 18 cm
Echelle: 1 cm de jet = 1 mm dessiné
Quelle relation peut-on écrire entre la hauteur de la colonne d’eau h et la pression de l’eau ? (assimilable à la longueur du jet)
P = k. h
• Schéma d’observation
h = 0
h
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Enseignement d’Exploration SISciences de l’Ingénieur
THEMATIQUE :
Etude de cas : sécurité d’un chemin piétonEtude de cas : sécurité d’un chemin piéton
On souhaite s’assurer On souhaite s’assurer que cette paroi ne que cette paroi ne basculera pas lorsqu’il basculera pas lorsqu’il va pleuvoirva pleuvoir
Données techniques :
Hauteur apparente du mur : 5 mètres
Hauteur de fichage : 2 mètres
Masse volumique du sol : 1600 kg/m3
21/04/23 SEMINAIRE ACADEMIQUE
TOUL - 27 mai 2010REFORME du LYCEE
La CLASSE de SECONDEEnseignement d’Exploration SI
Sciences de l’IngénieurTHEMATIQUE :
Etude de cas : 1ère étape
Schématiser notre étude de cas et représenter les poussées en présence par temps sec
Quelle est la poussée maximale totale (sol + eau) qui s’exerce sur le mur ?
55+45 = 100 kPa
5 m
2 m
2,5 m
Par temps sec, il existe malgré tout de l’eau qui stagne à une profondeur de 2,5 mètres. C’est ce qu’on appelle la nappe phréatique.
Psol = 55 kPa
(0.49*1600*10*7)
Peau = 45 kPa
(1000*10*4.5)
Quelle est la poussée qu’exercent le sol et l’eau du côté du passage piéton alors qu’ils retiennent le mur ?
1000*10*2 + 2.04*1600*10*2 = 85 kPa
Quel est le rôle de cette poussée ?
→s’opposer aux forces de poussées de la terre et de l’eau, c’est la butée
Cette force est-elle suffisante pour retenir le mur ? Quel est le risque ?
Non , risque de basculement
21/04/23
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THEMATIQUE :
Schématiser notre étude de cas en cas de forte pluie et représenter les poussées en présence
Que se passe-t-il lorsqu'il pleut longtemps ?
→le niveau de l’eau monte au niveau du sol
Quelle est la poussée maximale exercée par l’eau au pied du mur ?
70 kPa
Etude de cas : 2ème étape
5 m
2 m
Quelle est la valeur totale de toutes les poussées qui appuient sur toute la hauteur du mur (force de poussée) ?
125*7/2 = 438 kN
Quelle est la poussée maximale exercée par l’eau + le sol au pied du mur ?
70+55 = 125 kPa
Quelle est la valeur totale de la force qui retient le mur (force de butée) ?
85*2/2 = 85 kN
21/04/23 SEMINAIRE ACADEMIQUETOUL - 27 mai 2010
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THEMATIQUE :
Schématiser notre étude de cas en cas de forte pluie et représenter la poussée totale derrière le mur, la poussée qui retient le mur (butée), et votre solution technique (avec leurs valeurs)
Le chemin piéton est-il en sécurité ?
→ Non
Etude de cas : 3ème étape
5 m
2 m
Quelle solution technique pourriez-vous proposer pour que ce mur soit stable ?
→ mettre un tirant horizontal
→ augmenter le fichage
Quelle valeur de force horizontale faudrait-il rajouter pour contrer les forces qui poussent sur le mur par temps de pluie ?
→ 438 – 85 = 353 kN
21/04/23 SEMINAIRE ACADEMIQUE
TOUL - 27 mai 2010REFORME du LYCEE
La CLASSE de SECONDEEnseignement d’Exploration SI
Sciences de l’IngénieurTHEMATIQUE :
Document ressourcesOn calcule la valeur la plus élevée de la pression de l’eau, s'exerçant en bas du mur, par la formule.
Avec ρ : masse volumique de l’eau en kg/m3 g = 10 N/kg ou en m/s² : accélération de la pesanteur
h la hauteur d'eau qui exerce une poussée (en m)
et P en Pascal (Pa) (équivalent à 1N/m²)
Le sol exerce sur un écran une poussée horizontale qui a la même répartition triangulaire que l’eau. Seule la valeur de la constante qui multiplie h change.
Cette constante, notée a, dépend du matériau qui pousse sur le mur ou de celui qui le retient, selon le côté qu’on étudie.
On la calcule par la formule :
Où ρ : masse volumique du sol en kg/m3 g = 10 N/ kg-1 : accélération de la pesanteur k = 0,49 si on étudie le coté qui pousse l’écran (poussée) ou k = 2,04 si on étudie le côté qui retient l’écran (butée)
La masse volumique d’un sol est comprise entre 1300 et 1800 kg/m3, selon sa nature.
ρ.g.hP eaumax
ρ.g a kh
Pmax
2
.hP F max
Selon que la terre pousse sur le mur ou le retient, elle ne le fait pas avec la même force.
De la même façon que si je vous pousse par surprise, vous allez, en vous retenant, me pousser bien plus fort. Ainsi fait la terre…
• On peut calculer la force totale qui s’exerce sur un écran de soutènement de 1 mètre de long
•
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THEMATIQUE :
SynthèseSynthèse
La répartition de la pression de l’eau et de la La répartition de la pression de l’eau et de la terre derrière un mur est proportionnelle à la terre derrière un mur est proportionnelle à la hauteur de chargehauteur de chargeDe part et d’autre d’un mur, le sol ne pousse pas De part et d’autre d’un mur, le sol ne pousse pas de la même façon (butée plus forte que la de la même façon (butée plus forte que la poussée)poussée)Deux pressions dans le même sens s'ajoutent, on Deux pressions dans le même sens s'ajoutent, on ajoute les triangles afin de voir l'action globale.ajoute les triangles afin de voir l'action globale.Les forces de poussée de part et d’autre d’un Les forces de poussée de part et d’autre d’un écran de soutènement doivent au moins être écran de soutènement doivent au moins être égales pour éviter le basculement. égales pour éviter le basculement. Sinon, on redimensionne le fichage ou on met un Sinon, on redimensionne le fichage ou on met un tirant d’ancragetirant d’ancrage