THEMATIQUE : Les infrastructures Etude de cas : La protection contre les risques naturels

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

THEMATIQUE :

Séance 1Séance 1Stabilité d’un mur de soutènementStabilité d’un mur de soutènement

THEMATIQUE :

Situation déclenchanteSituation déclenchante

Quand ce sera dégagé, comment pourrons-nous assurer notre sécurité sur cette route ?

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)

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 ?

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 ?

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

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

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)

THEMATIQUE :

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

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

THEMATIQUE :

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

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 ?

THEMATIQUE :

SynthèseSynthèse

Carte mentale

THEMATIQUE :

Séance 2Séance 2Stabilité d’un mur de soutènementStabilité d’un mur de soutènement

THEMATIQUE :

Mais que s’est-il passé ici ???Mais que s’est-il passé ici ???

THEMATIQUE :

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)

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

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

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)

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

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

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

THEMATIQUE :

Séance 3Séance 3Stabilité d’un ouvrage Stabilité d’un ouvrage

Etude quantitativeEtude quantitative

THEMATIQUE :

Bizarre bizarre ce renversement, non ??

THEMATIQUE :

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

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.

THEMATIQUE :

→ → 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.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

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

THEMATIQUE : Les infrastructures Etude de cas : La protection contre les risques naturels

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