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Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Manual

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LE GUIDE DE
L’ENSEIGNANT
LES PONTS
INTRODUCTION AUX STRUCTURES
Education
®
78640
www.knexeducation.com
Education
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LES PONTS
Guide de l’enseignant
INTRODUCTION AUX STRUCTURES
Note de sécurité
La sécurité est une préoccupation primordiale
dans une classe de sciences et technologies.
Il est recommandé que vous établissiez des règles
de sécurité qui vous permettront d’utiliser les
accessoires K’NEX en toute sécurité. Dans le cas
de ce matériel, l’usage d’élastiques doit être bien
contrôlé.
Attention particulière :
Les étudiants ne doivent pas étirer ou enrouler les
élastiques à l’excès, car ils risquent de se blesser
ou de blesser un autre étudiant. Toute marque de
détérioration des élastiques doit être mentionnée
à l’enseignant. Les enseignants et les étudiants
doivent toujours s’assurer que les élastiques soient
en bon état et ce, avant chacune des expériences.
Il est important d’éloigner les mains et les cheveux
des pièces mobiles. Ne jamais mettre les doigts
dans les engrenages ou autres pièces mobiles.
Dans le présent document, le générique masculin est utilisé sans aucune discrimination et uniquement dans le
but d’alléger le texte.
96568-V3-10/14
© 2014 K’NEX Limited Partnership Group
Protégé par le droit d’auteur international.
Tous droits réservés.
Développé, produit et distribué aux
États-Unis et au Canada
Par K’NEX Education
K’NEX Limited Partnership Group
P.O. Box 700
Hatfield, PA 19440-0700
1-888-ABC-KNEX
courriel : abcknex@knex.com
Visitez notre site internet :
www.knexeducation.com
K’NEX Education est une marque déposée
de K’NEX Limited Partnership Group.
Cet ensemble est conforme aux
spécifications du règlement F963-03
(Standard Consumer Safety Specification
on Toy Safety) de l’ASTM.
Ouvré sous les brevets américains
5,061,219; 5,199,919; 5,350,331;
5,137,486.
Autres brevets américains et étrangers
en instance.
! ATTENTION :
RISQUE D’ÉTOUFFEMENT – Pièces de petite taille.
Ne convient pas aux enfants de moins de 3 ans.
Introduction :
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Informations générales
Ce Guide de l’enseignant a été développé pour vous aider pendant que vos étudiants explorent l’ensemble Introduction
aux structures : les ponts de K’NEX Education. Les informations et les ressources contenues dans ce guide, jumelées
au matériel K’NEX Education et au Journal de l’étudiant, vous permettront d’accompagner vos étudiants dans leur
compréhension de concepts scientifiques et de les guider dans leurs recherches à travers des expériences concrètes
et significatives.
Introduction aux structures : les ponts
Cet ensemble de construction K’NEX Education est conçu pour introduire les étudiants à l’histoire, aux fonctions, à la
conception, à la géométrie et à la force des ponts. L’étude des ponts aidera les étudiants à développer une compréhension
générale des forces impliquées dans les structures. Ils acquérront également une connaissance des propriétés physiques
des matériaux et de leur application dans la conception et la construction des ponts. Ils découvriront que la construction
d’un pont, même si elle est basée sur des principes scientifiques simples, requiert parfois des solutions d’ingénierie très
complexes. En utilisant cet ensemble K’NEX Education, les étudiants auront l’opportunité d’acquérir des habiletés grâce
à l’approche basée sur l’exploration manuelle et intellectuelle. En travaillant en équipe, ils seront encouragés à interagir
ensemble pour construire, étudier, résoudre des problèmes, discuter et évaluer divers concepts scientifiques ou principes
de conception.
Le Guide de l’enseignant
Conçu afin de procurer à l’enseignant une variété de ressources, le Guide de l’enseignant lui fournit un glossaire de
concepts-clé et leurs définitions. Il inclut également un aperçu général des principaux types de ponts, des matériaux
utilisés pour leur construction et des principes d’ingénierie appliqués pour la résistance aux charges. Les objectifs
spécifiques de chacun des chapitres y sont identifiés. Ce guide offre aussi des plans et des scénarios pour présenter
chacune des structures et les activités qui lui sont associées. La plupart des unités peuvent être complétées en 30 à 45
minutes. Vous trouverez également des activités supplémentaires pouvant être réalisées afin d’approfondir un concept
en particulier. Nous recommandons aux enseignants de consulter leur programme afin d’identifier les activités qui leur
permettront d’atteindre leurs objectifs.
Le journal de l’étudiant
Il est recommandé que chaque étudiant dispose d’un journal afin de noter les informations relatives à chacune des
expériences. Les étudiants devraient être encouragés à noter leurs hypothèses avant de commencer une activité.
Ces hypothèses pourront être vérifiées selon les découvertes qu’ils feront lors de l’expérience. Ces informations leur
permettront de faire le lien entre les différents concepts étudiés. Ils comprendront plus facilement les modèles construits,
les expériences réalisées et pourront relier ces informations à la construction et à la structure de ponts qu’ils peuvent
observer de nos jours. Le journal permettra aux étudiants d’apprendre à dessiner des diagrammes et des plans. Il est aussi
un moyen d’évaluation pour l’enseignant. Le Guide de l’enseignant comprend une feuille de contrôle des journaux et ce,
pour chacun des modèles et des activités qui lui sont associées.
TABLE DES MATIÈRES
Objectifs .............................................................................................................................................................................. 3
Mots-clé et définitions
........................................................................................................................................................ 3
Concepts-clé
........................................................................................................................................................................ 5
Introduction aux ponts : Activités préparatoires (facultatives)
........................................................................................ 19
Introduction aux ponts : À quoi servent les ponts?
......................................................................................................... 21
Les ponts sont-ils tous les mêmes? Comment les ponts supportent-ils une charge?
.................................................... 25
Le pont-poutres
................................................................................................................................................................ 29
Le pont en poutres à treillis
.............................................................................................................................................. 35
Le pont cantilever
............................................................................................................................................................. 41
Le pont basculant
............................................................................................................................................................. 49
Le pont à arches
................................................................................................................................................................ 55
Le pont suspendu
............................................................................................................................................................. 61
Le pont à câbles
................................................................................................................................................................ 71
Concevoir un pont : Les facteurs du temps et de l’argent
.............................................................................................. 77
Feuilles d’activités
............................................................................................................................................................. 81
INTRODUCTION AUX STRUCTURES
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Introduction aux structures : LES PONTS
Information générale
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Mots-clés et définitions pour l’enseignant
Ce qui suit est une ressource pour l’enseignant. Selon l’âge, les habiletés, les connaissances de base et le programme
de votre cours, vous pourrez choisir d’utiliser certaines des définitions suivantes. Ces mots-clés ne sont pas présentés
comme une liste devant être apprise par coeur par les étudiants. Ils peuvent cependant être utilisés afin de clarifier les
concepts que les étudiants rencontreront en cours de route.
Pont :
Une structure qui assure un passage au-dessus d’un obstacle. Quelque chose qui relie ou supporte une chose à une autre.
Pont à arches : Un pont possédant une structure courbe. L’arche assure une plus grande force de la structure en
exerçant des pressions vers le bas et sur les côtés contre la culée.
Pont basculant : Pont articulé fonctionnant comme une balançoire à bascule. Les sections du pont peuvent être
soulevées grâce à des contrepoids.
Pont-poutres : Le type de pont le plus simple. Il est constitué d’une structure droite et rigide reposant sur des
supports à chaque extrémité.
Pont à câbles : Conception moderne du pont dans laquelle le tablier est supporté par des câbles directement
attachés à des tours.
Pont cantilever : Similaire au pont-poutres, ce type de pont obtient son support grâce à des poutres contrebalancées
au milieu de la structure plutôt qu’aux extrémités. Les deux poutres sont nommées cantilever..
Pont suspendu : Type de pont dans lequel le tablier est suspendu par des filins attachés à des câbles. Les câbles sont
supportés par des tours et attachés sécuritairement à des ancrages de béton.
Pont en poutre à treillis : Type de pont-poutres, renforcé par une charpente de poutrelles arrangées
triangulairement..
Charges et forces :
Charge : Distribution des poids d’une structure (voir également Poids mort et Charge variable).
Force : Une poussée ou une traction. Dans le cas des ponts, la force est appliquée au pont sous la forme d’une charge.
Contrainte : Une force tendant à déformer une structure.
Compression : Une force tendant à raccourcir, pousser ou comprimer une structure..
Tension : Une force tendant à allonger ou étirer une partie d’une structure.
Torsion : Une déformation produite lorsqu’un matériau est tordu.
Symétrie : Un ensemble égal et équivalent de chaque côté d’une ligne centrale.
Gauchissement : Une déformation qui se produit lorsque les structures plient sous la force d’une compression.
Poids mort : Le poids de la structure du pont.
Charge variable : Le poids de la circulation utilisant le pont.
Objectifs
Les étudiants devront :
1. étudier les différents types de ponts et démontrer leur compréhension du fonctionnement de ces structures.
2. décrire et comprendre les forces agissant sur une structure.
3. décrire comment les structures sont stabilisées et comment elles peuvent supporter une charge.
4. démontrer et décrire comment les structures peuvent s’effondrer sous une charge et étudier les techniques
de renforcement.
5. décrire et expliquer quelques propriétés physiques des matériaux et leur application dans la conception et la
construction des ponts.
6. démontrer leur compréhension de la conception, de l’ingénierie et des processus de construction d’un pont.
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Caractéristiques d’un pont :
Ancrage : Fondations ou blocs de béton dans lesquels les câbles de suspension d’un pont sont sécurisés.
Barre de tension : Un support structural sous tension.
Câble : Filins utilisés pour supporter le tablier d’un pont suspendu ou d’un pont à câbles..
Câble de suspension : Un câble supportant le tablier; il est suspendu verticalement à partir du câble
principal.
Caisson : Une structure temporaire utilisée pour retenir l’eau à l’extérieur, lors de la construction des fondations
des piliers.
Charpente : L’arrangement “squelettique” des matériaux donnant la forme et le support à une structure.
Chaussée : La partie du pont où circulent les véhicules; sur le tablier.
Clé de voûte : Pierre taillée en forme de coin, elle est la dernière installée dans une arche et elle est la pierre qui
retient les autres en place.
Culée : Une masse de roches ou de béton maintenant en place chacune des extrémités d’une arche de pont afin
d’éviter qu’elles ne se séparent et ne fassent tomber le pont.
Ingénieur : Un professionnel qui conçoit les ponts ou autres structures. Il existe plusieurs types d’ingénieurs :
civils, constructeurs ou environnementaux.
Jambe : Un support vertical au centre de la portée du pont, par exemple, un pilier ou une tour.
Main courante : Une rampe ajoutée sur le tablier du pont afin de prévenir la chute de piétons, d’animaux ou
de véhicules.
Obstacle : Quelque chose qui fait barrière.
Portée : La section du pont entre deux piliers ou tours.
Poulie : Une roue utilisée pour hisser ou pour changer la direction d’une force.
Poutre : Composante rigide et horizontale d’un pont.
Poutrelle : Une poutre forte servant au support dans la structure.
Poutre triangulée : Une charpente de poutres, dont certaines sont sous tension et d’autres sous compression,
comprenant des triangles et autres formes stables.
Rampe : Un plan incliné reliant la rive au tablier du pont.
Support : Un objet qui soutient le pont et sert de fondation.
Tablier : La surface du pont qui sert à la circulation (piétons, automobiles, trains).
Tour : Un support très haut et vertical qui supporte les câbles principaux d’un pont suspendu ou d’un pont
à câbles.
Traverse : Un support structural sous compression.
Triangulation : Un concept de construction utilisant les triangles, faits à partir de carrés, pour augmenter la
force d’une structure.
Voussoir : Une arche faite de blocs de pierre en forme de coin qui s’alignent parfaitement ensemble contre
la culée.
INTRODUCTION AUX STRUCTURES
INTRODUCTION AUX STRUCTURES
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Concepts-clé
Ce qui suit présente un résumé de quelques concepts-clé associés aux ponts. Il s’agit d’une
ressource pour l’enseignant. Ces concepts pourraient vous être utiles lors de la préparation
de vos activités reliées à l’ensemble Introduction aux structures : les ponts de K’NEX Education.
Qu’est-ce qu’un pont?
C’est une structure qui facilite la traversée d’un obstacle. Les obstacles, par exemple les rivières, ont toujours
été un problème dans la vie des voyageurs ou des marchands. Cependant, les ponts d’aujourd’hui sont utilisés
pour traverser de grandes étendues d’eau, pour relier des îles, pour traverser une autoroute ou pour relier certains
édifices entre eux. Ils peuvent supporter les véhicules motorisés, les trains, les piétons, les pipelines, etc.
Nous pouvons facilement imaginer que les premiers ponts étaient simplement des arbres déracinés et tombés en
travers d’un cours d’eau ou une roche plate placée au-dessus d’un ruisseau ou d’une crevasse. Ces ponts seraient
du type pont-poutres.
Lorsque les gens voulurent traverser les cours d’eau en transportant des charges plus lourdes, la poutre ne fut
plus une bonne solution. Lorsque l’obstacle à traverser était trop large, la poutre pliait au centre.Si l’on essayait
de renforcer le pont grâce à une poutre plus épaisse, elle fendait. La portée la plus longue sur un pont-poutres est
d’environ 80 mètres.
La conception d’un pont doit être faite en fonction des points suivants : la charge devant être transportée, les
forces agissantes et les matériaux de construction.
Fig. 1
Fig. 2 - Pont-poutres simple
Fig. 3 - Une poutre trop longue plie
Fig. 4 - Renforcement de la poutre en l’épaississant Fig. 5 - Le pont est trop lourd
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Poids mort : C’est le poids de la structure du pont elle-même. Les ingénieurs tentent de minimiser ce poids
le plus possible en concevant la structure la plus légère possible.
Charge dynamique : Les trains et les camions très lourds produisent un très fort impact (choc) lorsqu’ils
traversent un pont à grande vitesse. Les ponts ferroviaires doivent être très forts pour supporter ce type de
choc, c’est pourquoi le pont suspendu ne peut être utilisé.
Charge environnementale : Les facteurs environnementaux comme les vents très puissants, la glace, les
accumulations de neige et les tremblements de terre peuvent créer une charge additionnelle sur la structure.
Une préoccupation majeure pour les ingénieurs est celle des effets d’ouragans sur les ponts suspendus situés
dans des régions à risque.
Les forces :
Compression : écrasement
Tension : étirement
Pliage
Torsion : tordre
Cisaillement : glissement
Les forces les plus importantes affectant les ponts sont la compression et la tension. Leurs effets sur la structure
d’un pont peut être reproduite grâce à un morceau de caoutchouc mousse. Dessinez des lignes parallèles comme
le démontrent les illustrations suivantes. Placez le caoutchouc mousse entre deux “piliers” et poussez vers le bas
au centre du “pont”. Les lignes vous montreront l’effet de la compression et de la tension et les endroits où elles se
produisent.
Les charges :
Charge variable : Le poids du trafic circulant sur le pont. Cette charge crée une force vers le bas
sur le pont. Cette force doit donc être répartie dans les fondations ou équilibrée par une force opposée.
Fig. 6i Fig. 6ii
Fig. 12 - Les forces agissant sur une poutre
Fig. 7 - Compression (écrasement) Fig. 8 - Tension (étirement)
Fig. 9 - Pliage Fig. 10 - Torsion (tordre) Fig. 11 - Cisaillement (glissement)
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Matériaux
Les ingénieurs doivent tenir compte des propriétés des matériaux qu’ils prévoient utiliser pour construire
un pont.
Les matériaux résistant bien à la compression : bois, béton armé, acier et quelques plastiques.
Les matériaux résistant bien à la tension : corde, bois (coupé dans le sens du grain).
Le béton armé est un choix judicieux pour plusieurs structures, dont les ponts. Des barres d’acier parcourent la
longueur du bloc de béton et résistent donc à la fois à la tension et à la compression.
Le papier peut-il être utilisé pour construire une structure? Quelles sont ses forces et ses faiblesses?
Ce test démontre que le papier résiste à la tension, mais non à la compression.
Peut-on changer les propriétés d’un matériau?
Vous pourriez réaliser ces activités pour introduire les étudiants à certains concepts.
(Voir également la section Introduction aux ponts : Activités préparatoires à la page 19.) Nous recommandons
également de visiter le site “Forces Lab” au www.pbs.org/wgbh/buildingbig/bridge/ (en anglais).
Fig. 13i - Essayez de déchirer une feuille de papier.
Fig. 14
Fig. 15
Lorsque nous tenons une feuille de papier dans nos
mains, elle plie vers le bas parce qu’elle n’est pas
vraiment rigide. Mais lorsque cette même feuille est
pliée, ses propriétés changent.
La feuille de papier est maintenant rigide et peut
supporter des charges étonnamment lourdes.
Fig. 13ii - Maintenant, écrasez-la.
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Enrouler une feuille de papier pour en faire un tube produit quelque chose d’assez résistant. Vous pouvez le prouver
en comprimant le tube dans sa longueur. Essayez de lui faire supporter plusieurs charges pour voir ce qu’il peut
soutenir avant de s’effondrer.
Pliez des feuilles de papier selon les formes suivantes et observez quelles charges elles sont en mesure de supporter.
Les prédictions à propos de la force de chacune des formes peuvent être faites avant de tenter l’expérience. Pour une
expérience juste, les piliers doivent toujours être placés à la même distance. Placez chaque feuille de papier (poutre)
tour à tour sur les piliers et placez un poids au centre (fig. 18). Commencez par le poids le plus petit et augmentez
graduellement, jusqu’à ce que la poutre tombe. Inscrivez les résultats dans un tableau comme celui présenté
ci-dessous (fig. 19).
Cette méthode peut aussi être utilisée pour expérimenter différents types de papier ou de carton.
Fig. 16i - Enroulez le
papier autour d’un
manche à balai.
Fig. 17
Fig. 19
Fig. 18
Fig. 16ii -
Fort : compression,
tension
Fig. 16iii
- Faible :
Pliage
Comme cette expérience le démontre, en changeant
la forme d’un matériau, nous pouvons utiliser ce qui
au départ semble être un matériau inadéquat pour
construire des structures solides.
Nous remercions Paul Newham, technicien senior du
South London Science and Technology Center (Londres,
Grande-Bretagne), pour nous avoir permis de reproduire
cette activité et les diagrammes qui l’accompagnent.
Modèle (coupe transversale) Poids maximal
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Réponses :
FEUILLE D’ACTIVITÉS 6 :
NOMMEZ CE PONT
1. suspendu
2. arche
3. à câbles
4. bascule
5. poutre
6. poutre en treillis
7. cantilever
8. à câbles
9 suspendu
10. poutre
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Others manual(s) of Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide

Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Instructions - English - 83 pages

Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Instructions - German - 94 pages

Knex 78640 - Education Intro to Structures Bridges Teachers Guide Instructions - Dutch - 81 pages


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