SCIENCE EN SCENE

SCIENCE EN SCENE
Etude expérimentale, grâce à un modèle asservi par ordinateur, de
l’impact des séismes sur les constructions humaines.
(François TILQUIN Lycée Marie Curie, Echirolles : [email protected])
Objectifs pédagogiques :
A partir des observations de photographies de dégâts de séismes (qui peuvent être très variables au même
endroit en fonction de la hauteur et de la forme des bâtiments), et d’un étude expérimentale rigoureuse
basée sur la création de mini-séismes, très proches du réel, et l’observation de leur impact sur des
maquettes de bâtiments en carton souple, il s’agit de faire comprendre la nature des ondes sismiques, des
risques pour les populations des villes, et de la prévention architecturale des constructions parasismiques,
enfin d’aboutir à des notions géologiques et physiques plus complexes.
Une très importante réflexion sur la modélisation et la validité du modèle pourra se faire à cette occasion.
(l’avis des scientifiques sur cette question sera fondamental)
Plusieurs niveaux d’utilisation sont possibles, depuis un niveau très simple montrant la nécessité d’une
réflexion dans la construction de bâtiments dans les zones à risques sismiques, jusqu’à un niveau supérieur
dans lequel pourront être abordés des notions géologiques et physiques plus complexes.
Matériel :
-Générateur de signal sinusoïdal, permettant d’amplifier également un signal entrant quelconque telle
qu’une trace sismique.
-Vibreur électromagnétique relié à une plaque de polystyrène sur laquelle se trouvent des maquettes de
bâtiments en carton.
-Bâtiments en carton de différentes hauteurs, largeurs etc… réduits à leur armature et modifiables par
l’utilisateur en fonction des hypothèses qu’il fait au fur et à mesure de sa démarche.
-Interface permettant de produire des tensions électriques programmables et de mesurer certains
paramètres physiques (accéléromètre) en fonction du niveau d’utilisation du modèle.
-Ordinateur pour la gestion des images, des signaux, des résultats etc...
-Logiciel « Générateur de micro-séismes » permettant de produire un signal programmable en direction de
l’interface.
-Base de données sur les séismes au format « Sismolog » qui servira à l’observation et à la création d’un
signal « réel »
-Base de données photographiques des dégâts des séismes.
-Base de données architecturale.
Exemple d’une démarche pédagogique :
Questionnement : Observations de photographies de dégâts urbains de séismes : en un même lieu des
bâtiments peuvent être complètement intacts ou totalement effondrés. Quelle en est l’origine ?
Hypothèses : type de construction, taille, forme (élancée, ramassée), homogène, hétérogène, masse de la
construction.
Construction de modèles de bâtiments de différentes hauteurs et forme, en carton souple et dense,
permettant d’obtenir des déformations souples (inertie).
Observation de sismogrammes afin de déterminer la nature approximative de la vibration en particulier sa
fréquence. (à un autre niveau : utilisation de la transformée de Fourier sur des sismogrammes, pour
déterminer les fréquences des diverses vibrations)
Simulation de vibrations avec le générateur de vibrations sinusoïdales simples (observation de la
résonance, des différents modes de vibration d’un même bâtiment en fonction de la fréquence ; influence
de l’amplitude, mise au point d’un système d’évaluation des dégâts) (à un autre niveau : notion de
fréquence de résonance, de nœud, de ventre de vibration, d’ondes stationnaires, utilisation d’un
accéléromètre placé dans les différents endroits du bâtiment)
Bâtiments de taille et
forme variables
Générateur
de signal
Amplification
de signal
Support
vibrant des
bâtiments
Variation fine de
la fréquence
Choix du pas de
variation de
fréquence
Variation fine
de l’ amplitude
de la génération
du signal
Variation fine de
l’amplificateur
Générateur de
vibrations
Polystyrène
permettant le
glissement
du support
Amplitude de
vibration forte
Amplitude de
vibration faible
Amplitude de vibration
faible encore plus faible
(Nœud de vibration)
Mode de vibration qui met en résonance le bâtiment de petite taille.
Amplitude de
vibration forte
Amplitude de
vibration faible
Mode de vibration qui met en résonance le bâtiment de grande taille.
Mise en évidence de plusieurs modes de vibrations d’un même bâtiment en fonction de la fréquence de
l’onde: notions d’ondes stationnaires
Un peu de modélisation pour comprendre les relations entre la taille et la résonance :
On utilise des morceaux de carton de taille différente, puis on fait varier la fréquence et on observe le
mode de vibration de chacun d’entre eux.
On place ensuite une petite masse (carton fixé avec un trombone) en haut ce qui a pour effet de diminuer
la fréquence de résonance.
Y-a-t-il une relation entre la position de la masse surajoutée et la fréquence de résonance ?
Utilisation d’une vibration sismique réelle extraite de sismogrammes de Sismolog en mettant la trace
sismique d’un séisme proche en sortie sur le vibreur grâce au logiciel « Générateur de micro-séismes »:
évaluation des dégâts potentiels. Comparaison avec les vibrations sinusoïdales.
Logiciel permettant
de générer un signal
à partir d’une trace
sismique
Bâtiments de hauteur et
construction différentes.
Interface pilotable
par ordinateur
générant un signal
analogique
Générateur de
vibrations
Amplificateur
du signal généré
Sol vibrant
portant les
bâtiments
Observation des réactions des différents bâtiments à cette simulation en faisant varier la base de temps et
l’amplitude. Observation des différents modes de vibration simultanés présents dans une onde sismique, et
leurs effets sur les bâtiments.
Modification de l’architecture des bâtiments en carton afin de limiter les dégâts pour un même séisme :
rigidifier les rectangles (chaînage), placer des contreventements, désolidariser le bâtiment du sol (en
utilisant de petits ressorts) , alourdir la partie supérieure du bâtiment en jouant sur l’inertie.
Le bâtiment
s’effondre sous
l’effet d’une
trace sismique
réelle
Contreventement
: le bâtiment
résiste
Le bâtiment s’effondre (manque de solidarité mur-porteur, dalle) Le bâtiment résiste
Chaînage du bâtiment en rendant plus rigides les rectangles :
Chaînage: le
bâtiment résiste
Discussion du modèle : le temps utilisé dans la simulation doit-il être le même que le temps réel, accéléré
ou ralenti ; l’inertie des bâtiments en carton et l’inertie des bâtiments réels doivent être considérés et mis
en relations avec l’amplitude de la vibration réelle et l’amplitude de la vibration du modèle.
Un onde sismique est une onde volumique : possibilité d’améliorer le modèle en utilisant des traces
bidimensionnelles et deux vibreurs placés perpendiculairement munis d’une tige prolongateur souple pour
éviter le phénomène de torsion.
Effet de site :
Liquéfaction du sol : Un maquette assez lourde repose sur un substrat meuble (sable). Un légère
hétérogénéité dans le substrat et des vibrations sismiques font gîter le bâtiment qui peu également
s’effondrer.
Le bâtiment est placé sur du sable mouillé et repose sur un substrat hétérogène : une partie plus dure est
enfouie dans le sable en arrière.
Après application d’une trace sismique réelle, le sol se liquéfie devant et le bâtiment gîte.
Résonance : création d’interférences avec une trace réelle déphasée à loisir, grâce au logiciel afin de
simuler l’effet d’interférence d’une onde se réfléchissant sur le socle encaissant un bassin sédimentaire,
mise en évidence de l’apparition de nœuds et de ventres de vibrations localisés géographiquement en
fonction du temps de déphasage et de la vitesse de propagation. Cet effet est généré par addition de
sinusoïdes déphasées et mise en application du résultat sur la maquette, ou par un déphasage d’une trace
réelle.
Pour aller plus loin : (travail projeté)
- Mesure de l’accélération avec des masses posées dans le bâtiment, calibrées par la calcul ou la pratique
et qui tombent à une certaine accélération.
-Vibration tridimensionnelle :
Est-il possible d’utiliser des traces sismiques 3D, 3 générateurs de vibrations, avec leurs tiges prolongateur
évitant les torsions, le tout animant un support monté sur des ressors permettant le mouvement 3D: niveau
beaucoup plus complexe pour le faire utiliser par des élèves, mais qui pourrait s’inscrire dans un projet
plus ambitieux d’explication de la nécessité des constructions parasismiques dans les zones à risque.
-Création d’une maquette 3D d’un bassin sédimentaire, en résine, ou en ciment, autorisant la propagation
des sons, bassin encaissé dans un socle réflecteur des sons (aluminium), puis création avec le vibreur placé
au contact de l’aluminium d’une vibration quelconque haute fréquence générant des sons. Le résultat des
interactions sonores s’observe alors en surface en plaçant de la limaille de fer qui se déplace des ventres de
vibration vers les nœuds de vibration. Ainsi on pourrait espérer voir que les dégâts dépendent également
de la direction de l’origine du séisme et des interactions de l’onde avec les surfaces réfléchissantes du
socle. Bien sûr ces modèles sont destinés aux explications pédagogiques et ne doivent pas faire une
illusion démesurée sur leur valeur scientifique : les problèmes effectifs étant beaucoup plus complexes.
Evolutions du logiciel :
Le logiciel « Générateur de micro-séismes » fonctionne avec l’ interface Leybold qui génère un signal
analogique à partir d’un signal numérique produit par l’ordinateur. Une amélioration importante
permettant d’utiliser la carte son de l’ordinateur comme interface de sortie d’un signal vibratoire sismique,
permettrait de limiter fortement les coûts, et d’éviter de passer par une interface, mais nécessiterait
l’acquisition d’un petit amplificateur. (A voir)
Equipe et partenaires :
François Tilquin professeur de SVT, lycée Marie Curie Echirolles.
Abel Dubois, Cathy LABONNE, Alison HOANG élèves de première S, à l’origine de l’idée de travailler
sur les constructions parasismiques dans le cadre d’un TPE
Conseillers Scientifiques :
Julien Frechet sismologue CNRS à l'Institut de physique du globe de Strasbourg
François Thouvenot sismologue au Laboratoire de géophysique interne et tectonophysique (UJF/CNRS),
auteurs du logiciel Sismolog
Société Leybold S.A pour le matériel didactique (interface génératrice),
Société Phylab générateur de signal et vibreur etc…)
Ecole d’architecture de Grenoble.
Annexe :
Copie d’écran du logiciel « générateur de séismes »
Annexe :
Etude expérimentale d'un micro-séisme en salle de TP