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 : [e-mail])
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)
Générateur
de signal
Bâtiments de taille et
forme variables
Polystyrène
permettant le
glissement
du support
Support
vibrant des
bâtiments
Générateur de
vibrations
Variation fine de
la fréquence
Choix du pas de
variation de
fréquence
Variation fine
de l’ amplitude
de la génération
du signal
Amplification
de signal
Variation fine de
l’amplificateur

Mode de vibration qui met en résonance le bâtiment de petite taille.
Amplitude de
vibration faible
Amplitude de
vibration forte
Amplitude de vibration
faible encore plus faible
(Nœud de vibration)

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
Amplitude de
vibration forte
Amplitude de
vibration faible

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 ?