thème détude: les structures porteuses etude de cas : influence de la geometrie et des materiaux d...
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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
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1LES STRUCTURES PORTEUSES
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LES STRUCTURES PORTEUSES
ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
« ensemble de solides agencés de manière organiséeet destiné à supporter des actions mécaniques importantes »
De très nombreuses applications …Cycl
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LES STRUCTURES PORTEUSES
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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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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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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ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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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Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
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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 =
Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
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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
Activité 2: ETUDE DE SOLLICITATIONS DE POUTRES SIMPLES
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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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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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
Activité 4:CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
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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)
Activité 4:CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
Utilisation
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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.)
Activité 4:CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
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Etape 2 suite : CHOIX DE LA GEOMETRIE DE LA STRUCTURE - MODELISATION – SIMULATION
Modélisation de la maquette du pont et simulation
Activité 4:CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
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Etape 3 : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION
REALISATION : Définition précise des différentes poutres - découpe – perçage - assemblage
Activité 4:CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
Etape 3 suite : REALISATION DE LA MAQUETTE DU PONT - EXPERIMENTATION
EXPERIMENTATION
Activité 4:CONCEPTION – SIMULATION – REALISATION –
EXPERIMENTATION D’UN PONT A ECHELLE REDUITE
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
CENTRES D’INTERET ABORDES
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COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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
COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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
COMPETENCES – CAPACITES - CONNAISSANCES
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
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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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES
7INFORMATIONS COMPLEMENTAIRES
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
DISPOSITIF EXPERIMENTAL POUR ETUDE FLEXION POUTRES
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
EXEMPLES DE REALISATIONS ELEVES
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t 2ETUDE DE CAS : LES STRUCTURES PORTEUSES
DISPOSITIF EXPERIMENTAL - MESURE DE LA DEFORMEE DU PONT SOUS CHARGE