Cycle 2 - Architecture et Construction (AC)

Report
Cycle 2 – Projet 2
STI2D-Architecture et Construction
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
Thème d’étude:
LES STRUCTURES PORTEUSES
ETUDE DE CAS :
INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DES MATERIAUX
D’ UNE STRUCTURE PORTEUSE
SUR SA MASSE ET SA RESISTANCE AUX CHARGES
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ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
PLAN DE LA PRESENTATION DE L’ETUDE DE CAS
1 - Notion de structures porteuses et orientation de l’étude
2 - Question sociétale – problématique – problèmes techniques
3 - Objectifs et fil directeur de l’étude
4 - Modalités d’organisation des différentes activités composant l’étude
5 - Contenus des différentes activités
6 - Bilan des centres d’intérêt, compétences, capacités et connaissances abordés
7 - Informations complémentaires
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ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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LES STRUCTURES PORTEUSES
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LES STRUCTURES PORTEUSES
« ensemble de solides agencés de manière organisée
et destiné à supporter des actions mécaniques importantes »
De très nombreuses applications …
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LES STRUCTURES PORTEUSES
Une étude de cas recentrée sur :
1 - L’étude de sollicitations de poutre simples (constitutives des structures
porteuses)
2 - L’étude de structures triangulées planes
3 - L’étude de structures triangulées spatiales de type PONT
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QUESTION SOCIETALE
PROBLEMATIQUE
PROBLEMES TECHNIQUES
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QUESTION SOCIETALE : Comment limiter le besoin en énergie
et en matière pour construire et déplacer des structures porteuses
résistantes.
PROBLEMATIQUE : comment concevoir des structures
porteuses les moins lourdes possibles, nécessitant le moins de
matière possible et capable de supporter les actions mécaniques
qu’elles subissent ?
PROBLEMES TECHNIQUES:
 Comment les formes et les matériaux des poutres
constitutives des structures porteuses, influencent-elles la
masse et la résistance de cette structure ?
En quoi la géométrie d’une structure apporte-t-elle de la
résistance face aux actions mécaniques ?
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OBJECTIFS DE L’ETUDE
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OBJECTIFS DE L’ETUDE:
- Comprendre comment la géométrie d’une poutre et les matériaux
influencent le comportement sous charge de cette poutre et d’une
structure.
- Comprendre de quelle manière une triangulation de poutre apporte
résistance et rigidité à une structure porteuse tout en limitant la masse
de cette structure.
- SIMULER et EXPERIMENTER des poutres et des structures triangulées
- Apporter des réponses à la problématique
- comparer les comportements des modèles expérimentaux et des
modèles simulés
MODELE SIMULE
ECART
MODELE REEL
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MODALITES D’ORGANISATION
DES ACTIVITES
COMPOSANT L’ETUDE DE CAS
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CONTENUS DES ACTIVITES
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Activité 1 :
ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
Etape 1 : cours sur le comportement du solide déformable
 Notion de poutre , hypothèses préliminaires, modélisation d’une poutre
 Actions mécaniques et sollicitations
 contraintes – déplacements de matière – déformations
 Propriétés importantes de matériaux (domaines élastique et plastique, limite
élastique, module d’Young, masse volumique …)
 Notions sur la simulation du solide déformable (notion d’éléments finis,
lecture et analyse des résultats d’une simulation)
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Activité 1
ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
Etape 2 : EXPERIMENTATION: FLEXION 3 POINTS DE POUTRES
 Sur un banc de flexion simple, charger des poutres de différentes sections et
différents matériaux
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Activité 2:
ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
Etape : EXPERIMENTATION: FLEXION 3 POINTS DE POUTRES
Sections des poutres toutes contenues dans un encombrement 10 mm x 10 mm
 Expérimentations, recueil des résultats, exploitation d’un tableur
Les paramètres influençant la flexion
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Activité 2 :
ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
Etape : MODELISATION + SIMULATION : FLEXION 3 POINTS DE
POUTRES
Même démarche que l’étape 2 mais virtuellement à l’aide de Solidworks
Simulation (2010)
Les mêmes poutres qu’à l’étape 2 + autre section non disponible réellement et
toujours contenues dans un encombrement 10 mm x 10 mm
IPE
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Activité 2:
ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
Etape 3 : MODELISATION + SIMULATION : FLEXION 3 POINTS DE
POUTRES
Recueil des résultats et exploitation d’un tableur
Calcul d’un coefficient K permettant de dire « la poutre est capable de supporter x
fois sa propre masse » (sans sortir du domaine élastique)
K=
Masse suspendue à la poutre générant dans la poutre une contrainte égale à limite élastique
Masse de la poutre
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Activité 2:
ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
Etape 4 : ANALYSE DES RESULTATS ET REDACTION D’UN
RAPPORT DE SYNTHESE (travail élève)
 Comparaison des résultats issus de l’expérimentation et de la simulation:
 validation du modèle simulé
MODELE SIMULE
ECART
MODELE REEL
 Comparaison des poutres de même matière mais de sections différentes
 Comparaison des poutres de même section mais de matières différentes
 Constat: Evolutions des contraintes et de la flèche proportionnelles à la charge
 Pour la poutre rectangulaire, comparaison des résultats suivant l’orientation de
la section (grand et petit moment quadratique)
 Analyse du coefficient K et conclusion sur l’intérêt des différentes sections …
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Activité 2:
ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
Etape 5 : SYNTHESE DE L’ACTIVITE 1 et APPORT DE NOTIONS
SUPPLEMENTAIRES
 Bilan des rapports de synthèse et comparaison avec les observations et
conclusions attendues
 explication de la notion de moment quadratique
 explication théorique des contraintes dues à la flexion et conclusion sur les
sections les plus adaptées à cette sollicitation.
 1er
réponses à la problématique : influence de la géométrie
(section et longueur de poutre) et des matériaux sur la résistance et la
rigidité d’une poutre en flexion
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Activité 3
ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D »
Etape 1 :
 LANCEMENT DE L’ACTIVITE
 DÉCOUVERTE DU PRINCIPE DE MODÉLISATION UTILISÉ POUR MODÉLISER LA
STRUCTURE TRIANGULÉE PLANE:
 Utilisation d’une esquisse modèle
 création de la structure comme une pièce composée de différents corps
volumiques indépendants (poutres)
 outils d’esquisse permettant une modélisation plus rapide …
etc …
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Activité 3:
ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D »
Etape 2 : MODELISATION ET SIMULATION DE STRUCTURE 2D
 géométrie évolutive + différents cas de chargement  différentes simulations
 analyse des déplacements, des contraintes, recherche du coefficient K
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Activité 3:
ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D »
Etape 3 : ANALYSE DES RESULTATS ET SYNTHESE ETAPE 2 EN
CLASSE ENTIERE
comparaison des performances des différentes structures
Modèle 1
Modèle 2
Bien moins déformable
que modèle 1
Modèle 3
Même déformation que
modèle 1 mais plus lourd
 constatation de l’influence de la zone de chargement suivant la géométrie de la
structure
Performances du modèle 3 modifiées
suivant la zone de chargement
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Activité 2 suite :
ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 3D »
Etape 3 suite :
LANCEMENT ETAPE 4
 AIDE METHODOLOGIQUE POUR REALISER L’ETAPE 4 : MODELISATION ET
SIMULATION STRUCTURE TRIANGULEE 3D:
 création des plans virtuels contenant les différentes poutres
 utilisation de l’outils conversion d’entité pour gagner en rapidité de
modélisation
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Activité 3:
ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D »
Etape 4 :
 MODELISATION ETSIMULATION D’UNE STRUCTURE TRIANGULEE 3D
 utile en vue de l’activité 3: conception et modélisation d’un pont triangulé
 analyse des déplacements, contraintes et détermination du coefficient K
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Activité 4:
CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Etape 1 : LANCEMENT DE L’ACTIVITE 3
 objectifs, méthodologie, organisation du travail en groupe
 Étape 2 : conception géométrie pont : en groupe de 4
 Étape 3 :modélisation + simulation: en groupe de 2 (fractionnement groupe de 4)
 Etape 4 : réalisation réel du pont et expérimentation : en groupe de 4
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Activité 4:
CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Etape 1 : LANCEMENT DE L’ACTIVITE 3
 travail sur la base du KIT PONT TRELLIS « A4 technologie » :
 poutres en PVC expansé + visserie
+ documentation très complète GRATUITE
(+ outils d’aide au dessin et à la réalisation en option)
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Utilis
ation
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Activité 4:
CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Etape 2 : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE MODELISATION – SIMULATION
 Choix d’une silhouette puis utilisation simultanée d’un plan
papier et d’une esquisse solidworks pour définir la géométrie du
pont
Encombrement
imposé
Gabarit de plan
fourni (A4 techno.)
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Activité 4:
CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Etape 2 suite : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE MODELISATION – SIMULATION
 Modélisation de la maquette du pont et simulation
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Activité 4:
CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Etape 3 : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT EXPERIMENTATION
 REALISATION : Définition précise des différentes poutres découpe – perçage - assemblage
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Activité 4:
CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Etape 3 suite : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT EXPERIMENTATION
 EXPERIMENTATION
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ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
Activité 4:
CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Etape 4 : ANALYSE et COMPARAISON DES MODELES
« Recalage éventuel du modèle simulé pour rapprocher son comportement de
celui du modèle réel expérimental »
MODELE SIMULE
ECART
MODELE EXPERIMENTAL
 Comparaison des performances des différentes structures réalisées par les
différents groupes d’élèves
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BILAN DES DOCUMENTS PEDAGOGIQUES
FICHES D’ACTIVITES
 Présentation générale de l’étude de cas structures porteuses
 Activité 1: expérimentation et simulation de poutres en flexion
 Activité 2 : simulation de structures triangulées planes et spatiales
 Activité 3 : conception simulation expérimentation d’une maquette de pont triangulée
FICHES METHODES
 Fiche méthodologie: expérimentation poutres en flexion
 Fiche méthodologique: simulation poutres en flexion
COURS ET SYNTHESES
 Cours sur le comportement du solide déformable
 Synthèse activité 1: poutres en flexion – Analyse des résultats – connaissances complémentaires
 Synthèse activité 2: les structures triangulées
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CENTRES D’INTERETS
COMPETENCES
CONNAISSANCES
CAPACITES
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CENTRES D’INTERET ABORDES
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COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
A – ANALYSER
A2 – Analyser le Système
« identifier les matériaux des constituants et leurs propriétés en relation avec les fonctions et
les contraintes »
Matériaux :
 Mettre en relation les propriétés du matériau avec les performances du système
Comportement du solide déformable :
 Analyser les sollicitations dans les composants
 Analyser les contraintes dans un composant
A3 – caractériser des écarts
« comparer les résultats expérimentaux avec les critères du cahier des charges et interpréter les
écarts »
« comparer les résultats expérimentaux avec les résultats simulés et interpréter les écarts »
Analyse des écarts
 Traiter des données de mesures
 Quantifier des écarts entre des valeurs mesurées et des valeurs obtenues par
simulation
 Rechercher et proposer des causes aux écarts constatés
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COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
B – MODELISER
B3– Résoudre et simuler
« simuler le fonctionnement de tout ou partie d’un système à l’aide d’un modèle fourni. »
Comportement du solide déformable :
 Déterminer les parties les plus sollicitées dans un composant
B4 – valider un modèle
« interpréter les résultats obtenus »
Matériaux
 Identifier l’influence des propriétés des matériaux sur les performances du système
Comportement du solide déformable
 Valider l’influence de la structure sur les performances du système
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ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
C – EXPERIMENTER
C2– Mettre en œuvre un protocole expérimental
« conduire les essais en respectant les consignes de sécurité à partir d’un protocole fourni »
« traiter les données mesurées en vue d’analyser les écarts»
 Mettre en œuvre un appareil de mesure
 Analyser des résultats expérimentaux
D – COMMUNIQUER
D2 – mettre en œuvre une communication
« produire un support de communication »
« argumenter »
 Réaliser un document numérique
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7
INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES
DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES
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7
INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES
DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES
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DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES
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EXEMPLES DE REALISATIONS ELEVES
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DISPOSITIF EXPERIMENTAL - MESURE DE LA DEFORMEE DU PONT SOUS CHARGE

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