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

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

2. Séance 1Stabilité d’un mur de soutènement

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

4. Compétences abordées dans cette séance APPROFONDIR LA CULTURE TECHNOLOGIQUE • Caractériser les fonctions d’un système technique (= ouvrage de soutènement) • Établir les liens entre structure, fonction et comportement (= analyse du comportement) REPRESENTER - COMMUNIQUER • Rendre compte sous forme écrite ou orale des résultats d’une analyse, d’une recherche, d’une expérience et d’une réflexion (représentation structurelle)

5. Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? Questionnement qui doit ressortir de la problématique : Que faudrait-il faire pour que cela n’arrive plus ? Appropriation de la problématique

6. Le prof note au tableau les hypothèses des différents groupes, (tableau interactif, scan de leurs propositions,…) Les groupes sont formés de façon à ce que chaque élève puisse développer l’hypothèse qu’il a formulée (ou celle qui en est le + proche): ceux qui pensent rouge ensemble, ceux qui pensent bleu dans un autre groupe Bilan des hypothèses

7. Etude de cas :Comment protéger cette route ? 7 m 5 m

8. Investigation • Groupe 1 (4 élèves) : Parois Berlinoises ou parisiennes • Matériel : • Un aquarium rempli de sable • Baguettes de balsa • Planchettes de balsa

9. Investigation • Groupe 2 (4 élèves) : Palplanches • Matériel : • Un aquarium rempli de sable • Profilés fins à emboîter

10. Investigation • Groupe 3 (4 élèves) : Parois Clouées • Matériel : • Un aquarium rempli de sable • Piques à brochettes en bois • Petite grille (simulation Treillis Soudé)

11. Investigation • Groupe 4 (4 élèves) : Parois en terre armée • Matériel : • Un aquarium rempli de sable • Planchette de balsa ou carton • Languettes en carton (1cm largeur x 15 cm long) • Scotch pour fixer les languettes aux planchettes

12. Investigation • Groupe 5 (4 élèves) : blocs végétalisés • Matériel : • Un aquarium rempli de sable • Une vingtaine de cylindres en carton coupés dans des rouleaux de papier essuie-tout (hauteur 2cm) • Des fleurs en plastique

13. Investigation • Groupe 6 (4 élèves) : Murs préfabriqués en L • Matériel : • Un aquarium rempli de sable • Des cornières métalliques ou bois

14. Compte-rendu d’investigation Schéma de mon mur ? • Problèmes rencontrés ? • Stabilité ? • Pb fichage ? • En phase travaux ? • En phase fonctionnement ? Quelles étapes et dans quel ordre ? Et si il pleut sur mon terrain ?

15. Synthèse  Carte mentale

16. Séance 2Stabilité d’un mur de soutènement

17. Mais que s’est-il passé ici ???

18. SIMULER, MESURER UN COMPORTEMENT Identifier un principe scientifique (la poussée) en rapport avec un comportement d’un système ( rupture par renversement) Compétences abordées dans cette séance

19. Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? Questionnement qui doit ressortir de la problématique : Comment assurer la stabilité d’un mur de soutènement ? L’objectif est que les élèves confirment ou infirment leurs hypothèses lors des manipulations de la séance Appropriation de la problématique

20. Investigation • 1ère étape : Nécessité d’ancrer un écran de soutènement • terrasser d’un côté de l’écran de soutènement • Que se passe t-il ? À une certaine profondeur, l’écran se renverse • Noter la profondeur à partir de laquelle le mur rompt • Matériel • Un aquarium rempli de sable sec • 1 rectangle de balsa fiché dans l’aquarium

21. Investigation • 2ème 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 étape • On charge le sol derrière le mur • Que se passe t-il ? On voit le mur qui se renverse à nouveau • Matériel • Un aquarium rempli de sable sec • 1 rectangle de balsa fiché dans l’aquarium • 1 masse de 1 kg (bouteille d’eau pleine)

22. Investigation • 3ème étape : Mise en évidence de l’effet de la pression hydrostatique • On remet le mur en place avec le fichage limite de stabilité vu en 1ère étape • On sature le sol derrière le mur • Que se passe t-il ? On voit le mur qui se renverse à nouveau • Matériel • Un aquarium rempli de sable sec • 1 rectangle de carton fiché dans l’aquarium • Une bouteille d’eau

23. Compte-rendu d’investigation Quelles sont les solutions pour lutter contre ces facteurs-risques ? Tracer la trajectoire de votre mur lorsqu’il se rompt tirants Quels sont les facteurs qui entrent en jeu lors de la rupture d’un mur de soutènement ? Barbacanes fichage

24. Comment lutter contre le renversement du mur ? Fichage Évacuation de l’eau → barbacanes Mise en place de quelque chose pour résister à la poussée des terres et aider le mur à ne pas basculer → tirants Synthèse

25. Séance 3Stabilité d’un ouvrage Etude quantitative

26. Bizarre bizarre ce renversement, non ??

27. SIMULER, MESURER UN COMPORTEMENT Identifier un principe scientifique (répartition triangulaire de la poussée) en rapport avec le comportement d’un système ( rupture par basculement d’un écran de soutènement) Simuler le comportement d’un système technique à partir de l’évolution d’un paramètre d’entrée : → Calcul de la poussée au pied d’un écran de soutènement → Addition de poussées, représentation graphique Compétences abordées dans cette séance

28. Questions/réponses : que s’est-il passé ? Pourquoi ? Questionnement qui doit ressortir de la problématique : Pourquoi ce mur s’est-il renversé dans ce sens là ? Appropriation de la problématique On devrait rapidement arriver à l’hypothèse que la poussée était plus importante en pied qu’en tête de mur. C’est ce qu’on va les amener à démontrer.

29. Investigation • → 1 bouteille d'eau en plastique percée de 3 trous de même diamètre à 6, 12 et 18 cm du bas, bouchon non fermé • → de l’eau pour remplir la bouteille jusqu’à 6 cm au dessus du trou le plus haut • → 1 cuvette assez large pour recueillir l'eau • → 3 petites boules de pâte à modeler pour boucher les trous

30. Ce qu’on doit observer… 3 jets continus : → un jet de longueur 6 cm si h = 6 cm→ un jet de longueur 12 cm sih = 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.

31. Quelle est l’allure de la répartition de la pression de l’eau sur un mur de soutènement ? Compte-rendu d’investigation Profondeur: 0 Echelle: 1 cm de jet = 1 mm dessiné • Schéma d’observation h = 0 Jet à h = 6 cm Jet à h = 12 cm Jet à h = 18 cm h 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

32. Etude de cas : sécurité d’un chemin piéton • On souhaite s’assurer que cette paroi ne basculera pas lorsqu’il va pleuvoir Données techniques : Hauteur apparente du mur : 5 mètres Hauteur de fichage : 2 mètres Masse volumique du sol : 1600 kg/m3

33. Etude de cas : 1ère étape 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. Quelle est la poussée maximale totale (sol + eau) qui s’exerce sur le mur ? 55+45 = 100 kPa Schématiser notre étude de cas et représenter les poussées en présence par temps sec 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 2,5 m 5 m Quel est le rôle de cette poussée ? →s’opposer aux forces de poussées de la terre et de l’eau, c’est la butée 2 m Cette force est-elle suffisante pour retenir le mur ? Quel est le risque ? Non , risque de basculement Peau = 45 kPa (1000*10*4.5) Psol = 55 kPa (0.49*1600*10*7)

34. Etude de cas : 2ème étape 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 Schématiser notre étude de cas en cas de forte pluie et représenter les poussées en présence Quelle est la poussée maximale exercée par l’eau + le sol au pied du mur ? 70+55 = 125 kPa 5 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 valeur totale de la force qui retient le mur (force de butée) ? 85*2/2 = 85 kN 2 m

35. Etude de cas : 3ème étape Le chemin piéton est-il en sécurité ? → Non 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) 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 5 m Quelle solution technique pourriez-vous proposer pour que ce mur soit stable ? → mettre un tirant horizontal → augmenter le fichage 2 m

36. h Document ressources On 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) 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 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. Pmax

37. La répartition de la pression de l’eau et de la terre derrière un mur est proportionnelle à la hauteur de charge De part et d’autre d’un mur, le sol ne pousse pas de la même façon (butée plus forte que la poussée) Deux pressions dans le même sens s'ajoutent, on ajoute les triangles afin de voir l'action globale. Les forces de poussée de part et d’autre d’un écran de soutènement doivent au moins être égales pour éviter le basculement. Sinon, on redimensionne le fichage ou on met un tirant d’ancrage Synthèse