Thème détude: LES STRUCTURES PORTEUSES ETUDE DE CAS : INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DES MATERIAUX D...

Thème d’étude:

LES STRUCTURES PORTEUSES

ETUDE DE CAS :

INFLUENCE DE LA GEOMETRIE ET DES MATERIAUXD’ 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

ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSESCy

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1LES STRUCTURES PORTEUSES

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« ensemble de solides agencés de manière organiséeet destiné à supporter des actions mécaniques importantes »

De très nombreuses applications …Cycl

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t 2ETUDE DE CAS : 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

2QUESTION 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 ?ST

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3OBJECTIFS 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

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MODELE REELMODELE SIMULE ECART

4MODALITES D’ORGANISATION

DES ACTIVITESCOMPOSANT L’ETUDE DE CAS

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5CONTENUS DES ACTIVITES

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Activité 1 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES

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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)

Activité 1 ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES

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Etape 2 : EXPERIMENTATION: FLEXION 3 POINTS DE POUTRES

Sur un banc de flexion simple, charger des poutres de différentes sections et différents matériaux

Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES

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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

Activité 2 : ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES

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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

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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)

Masse suspendue à la poutre générant dans la poutre une contrainte égale à limite élastique

Masse de la poutreK =


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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

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 …

MODELE REELMODELE SIMULE ECART


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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

Activité 3ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D »

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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 …

Activité 3:ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D »

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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

Performances du modèle 3 modifiéessuivant la zone de chargement

Activité 3:ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D »

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Etape 3 : ANALYSE DES RESULTATS ET SYNTHESE ETAPE 2 EN CLASSE ENTIERE

comparaison des performances des différentes structures

constatation de l’influence de la zone de chargement suivant la géométrie de la structure

Modèle 1 Modèle 2 Modèle 3

Bien moins déformable que modèle 1

Même déformation que modèle 1 mais plus lourd

Activité 2 suite :ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 3D »

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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

Activité 3:ETUDE DE STRUCTURES TRIANGULEES « 2D et 3D »

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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

Activité 4:CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –

EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE

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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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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)



Utilisation

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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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Etape 2 suite : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE - MODELISATION – SIMULATION

Modélisation de la maquette du pont et simulation



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Etape 3 : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION

REALISATION : Définition précise des différentes poutres - découpe – perçage - assemblage



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Etape 3 suite : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION

EXPERIMENTATION



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Etape 4 : ANALYSE et COMPARAISON DES MODELES

« Recalage éventuel du modèle simulé pour rapprocher son comportement de celui du modèle réel expérimental »

Comparaison des performances des différentes structures réalisées par les différents groupes d’élèves

MODELE EXPERIMENTALMODELE SIMULE ECART

BILAN DES DOCUMENTS PEDAGOGIQUES

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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

6CENTRES D’INTERETS

COMPETENCESCONNAISSANCES

CAPACITES

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CENTRES D’INTERET ABORDES

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COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES

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A – ANALYSERA2 – 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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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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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

7INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES

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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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