Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable





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BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable

ENSEIGNEMENTS TECHNOLOGIQUES TRANSVERSAUX

Session 2015

Coefficient 8 – Durée 4 heures

Aucun document autorisé – Calculatrice autorisée






Projet de pont transbordeur Jules Verne à Nantes

Constitution du sujet 

  • Dossier Sujet (mise en situation et questions à traiter par le candidat)

    • PARTIE 1 (3 heures) Pages 2 à 9

    • PARTIE 2 (1 heure) Page 10

  • Dossier Technique Pages 11 à 21

  • Documents Réponse Pages 22 à 24

Le dossier sujet comporte deux parties indépendantes qui
peuvent être traitées dans un ordre indifférent.


Les documents réponse DR1 à DR3 (pages 22 à 24) seront
à rendre avec vos copies.


Mise en situation

La ville de Nantes est confrontée à la saturation de son périphérique à hauteur du pont de Cheviré. Ce pont, initialement prévu pour le contournement de la ville, est aussi très utilisé pour les déplacements urbains.

Depuis quelques années, la question d'un nouveau franchissement de la Loire est donc à l'ordre du jour pour :

- délester le pont de Cheviré ;
- faciliter la circulation le long du quai de la Fosse qui longe la Loire vers le centre ville.

Par ailleurs, la ville de Nantes est confrontée à un réaménagement d'une partie de son centre ville située sur une île fluviale, l'île de Nantes, jusque là occupée par diverses activités industrielles.

Ce nouveau franchissement est envisagé dans une zone actuellement démunie de moyen de passage hormis une navette fluviale Navibus d'une capacité de 95 passagers et de 10 vélos.



Le projet de pont transbordeur

En juillet 2008, une association « Les Transbordés » est fondée avec l'objectif de porter le projet d'un nouveau pont transbordeur imaginé par l'architecte nantais Paul Poirier.

Si la mémoire de l'ancien pont transbordeur construit pour desservir les chantiers navals alors en activité sur l'île de Nantes est très présente, ce projet de nouveau pont transbordeur est porteur d'ambitions plus larges.

Il se propose, avec comme souci premier la rentabilité, de répondre aux objectifs suivants :

  • développer l’offre de transport, en permettant le passage de la Loire pour ceux qui vivront et travailleront sur l’île de Nantes ;

  • conserver le caractère maritime du fleuve en offrant une faible perturbation du passage des bateaux de croisière ou des anciens bateaux à voile ;

  • développer le tourisme, en offrant un objet de curiosité unique en France et en complétant les nouveaux équipements attractifs déjà présents dans l'Île de Nantes. D'autres projets, comme l'aménagement d'un terminal de croisière sont aussi à l'étude ;

  • apporter une importante source de produits dérivés, ce pont devenant un porte-drapeau international des technologies de la métropole nantaise dont les productions maritimes et aéronautiques.

Diagramme de contexte du pont transbordeur :




Travail demandé

PARTIE 1 : étude de l'ouvrage

Le projet de pont transbordeur a d'abord pour fonction de permettre le croisement d'une circulation terrestre et la navigation de bateaux à fort tirant d'air (hauteur à partir de la ligne de flottaison).

Le projet de ce pont répond à des objectifs économiques, environnementaux et sociétaux, en innovant particulièrement avec l'utilisation touristique de la partie supérieure du pont.

ÉTUDE 1.1 : CARACTÉRISTIQUES DE L'OUVRAGE

Il s'agit de comprendre le principe du pont transbordeur qui a la particularité de comporter des éléments mobiles et valider les caractéristiques de l’ouvrage.

Question 1.1.1

À partir du document DT1, compléter dans le document réponse DR1 la vue en perspective du projet en indiquant le nom des principaux éléments constitutifs.

À partir de la typologie des haubanages proposée dans le DT2, indiquer sur votre copie celui retenu dans le projet de pont transbordeur.

voir DT1, DT2

DR1


En permettant le passage de bateaux à grand tirant d'air (hauteur à partir de la ligne de flottaison), le pont transbordeur permet de conserver au fleuve son caractère maritime.

Question 1.1.2

La hauteur libre du pont (hauteur sans obstacle à partir du niveau de l'eau) est donnée dans le diagramme d'exigences proposé dans le DT3. En consultant ce diagramme, expliquer à l'aide d'un schéma le phénomène naturel utilisé pour envisager le passage sous le pont de bateaux de tirant d'air supérieur.

Calculer alors le tirant d'air maximal possible.

voir DT3


La notion d'éco-mobilité met en valeur par ordre d'importance : les modes de transport doux (sans motorisation), les transports en commun, le covoiturage par opposition à un véhicule utilisé seul. Le pont transbordeur s’inscrit dans cette exigence en privilégiant les transports en commun et l’accès aux piétons.


Question 1.1.3

À l'aide des données du diagramme d'exigences du DT3, calculer à partir d'un temps de passage de la nacelle et des moyens de transport possibles (un busway + piétons) le flux maximal de passagers par heure dans un sens de circulation. La possibilité d'utiliser la rue aérienne ne sera pas prise en compte. À partir du tableau comparatif du DT2, comparer le flux maximal de passagers autorisé par le pont transbordeur à ceux d'autres modes de franchissement en précisant si le flux est faible, moyen ou élevé par rapport aux autres moyens de franchissement.

voir DT2 DT3


Un aspect innovant du projet est l'utilisation touristique de la travée du pont comme lieu d'animation commerciale.

Question 1.1.4

En considérant qu'il s'agit d'une utilisation innovante d'une partie du pont, identifier le type d'innovation parmi les trois types proposés en plaçant une croix sur le graphe présenté sur le document réponse DR2. Vous justifierez votre choix.

DR2



Question 1.1.5

L'expression « rue aérienne » est une marque nominative déposée à l'Institut National de la Propriété Industrielle en 2011.

Dans la notice de dépôt de la marque donnée dans le DT4, identifier le type de classification (de Nice) protégeant le principe d'utiliser la travée d'un pont comme un lieu de réunion (voir le descriptif sommaire du projet dans le DT1). Justifier votre réponse en citant deux domaines de cette classe pouvant être associés à un lieu de réunion. Expliciter l'avantage commercial que représente le dépôt de la marque pour la société NPPI.

voir DT1, DT4



Aspect économique du projet

Question 1.1.6

À partir des ordres de grandeurs des coûts d'autres modes de franchissement donnés dans le DT2, comparer le coût du projet de pont transbordeur aux autres modes en précisant si le coût est faible, moyen ou élevé par rapport aux autres modes.

voir DT2




Question 1.1.7

Conclure à partir des réponses aux questions précédentes sur ce qui permet au projet de pont transbordeur de répondre à des objectifs économiques, environnementaux et sociétaux.







ÉTUDE 1.2 : DURABILITÉ DE L'OUVRAGE

La durée de vie d'un pont est de l'ordre de 100 ans. Cela suppose la durabilité des matériaux et de la stabilité de la structure de l'ouvrage durant cette période.

Système de protection des haubans

Question 1.2.1

En consultant la documentation DT5 sur la protection des haubans contre la corrosion, préciser la famille de matériaux à laquelle appartient chacun des moyens de protection proposés.

voir DT5


La stabilité au poinçonnement (risque d'enfoncement vertical de l'ouvrage dans le sol), doit être assurée dans le cas de charge le plus défavorable, en particulier suivant la position de la nacelle.

Question 1.2.2

Le poids propre de l'ouvrage est estimé à 30,00 MN. La structure du pont (sans la nacelle) étant symétrique, calculer la charge propre au pied du pilier 1.

Reporter cette valeur sur le graphe proposé dans le document réponse DR2.

DR2

Question 1.2.3

La charge d'exploitation de la rue aérienne est de 5 kN.m-². À partir des caractéristiques de la rue aérienne données dans le descriptif du projet dans le DT1 ou dans le diagramme d'exigences du DT3, calculer la charge d'exploitation apportée par la rue aérienne au pilier 1 uniquement.

Reporter en cumulé cette valeur sur le graphe proposé dans le document réponse DR2.

voir DT1 ou DT3

DR2




Question 1.2.4

La nacelle et sa charge sont considérées comme une charge d'exploitation de valeur 2,00 MN.

- ajouter en cumulé sur le graphe du DR2 la valeur apportée par la nacelle au pilier 1 lorsqu'elle est au droit du pilier 1 (point A).
- ajouter en cumulé sur le graphe du DR2 la valeur apportée par la nacelle au pilier 1 lorsqu'elle est au droit du pilier 2 (point B).

Compléter le graphe par un segment de droite joignant les deux points ainsi tracés, la variation étant linéaire en fonction de la position de la nacelle

Conclure en listant les charges à prendre en compte sur la fondation du pilier 1.

DR2

Vérification de la résistance au poinçonnement de la fondation.

Question 1.2.5

L'application de coefficients de sécurité conduit à considérer une charge maximale sur la fondation de chaque pilier de 35,07 MN.
Avec une résistance de sol de 0,20 MPa, calculer si une semelle de fondation carrée de 15,00 m de côté serait suffisante pour assurer la stabilité de l'ouvrage au poinçonnement.







Question 1.2.6

Conclure en précisant à quel domaine de durabilité appartiennent les questions traitées dans la partie 1.2.

Parmi les autres risques d'instabilité, citer un autre exemple de risque en précisant une cause possible.








ÉTUDE 1.3 : ACCESSIBILITÉ À LA NACELLE

Le pont à transbordeur est un établissement recevant du public (ERP). Comme tous les ERP, il doit répondre à certaines caractéristiques quant à son accessibilité par les personnes à mobilité réduite. Un extrait du journal officiel de la République décrit ces caractéristiques dans le document technique DT6.

Exigences de l’arrêté du 1er août 2006

Il s’agit de déterminer l’écart de niveau maximum acceptable entre le quai et la nacelle.

Question 1.3.1

Relever sur l’extrait du journal officiel DT6 la dénivellation maximale acceptable sans équipement spécifique entre la nacelle du pont transbordeur et les quais.

voir DT6

La partie suivante est divisée en quatre étapes. D’abord le choix des suspentes (câbles) qui soutiennent la nacelle, puis le calcul de leur allongement dû au chargement, l’influence de la dilatation sur le positionnement vertical de la nacelle par rapport au quai et enfin le choix des équipements à prévoir pour respecter les normes d’accessibilité de l’ERP.

Choix des suspentes

Pour connaître les différences d’altitude de la nacelle dans le temps et sous certaines conditions, il est nécessaire de connaître les caractéristiques des 10 suspentes. Nous ferons ici l’hypothèse que le poids total est réparti de façon égale entre toutes les suspentes.

L’architecture de la nacelle est donnée dans le document technique DT6.

Question 1.3.2

Relever sur le diagramme d’exigences (DT3) la charge utile de la nacelle. Sachant que la masse de la nacelle à vide est de 100 tonnes. Calculer le poids total de la nacelle puis celui que chaque suspente doit soulever. Vous prendrez g = 10 ms-2.

voir DT3


Le coefficient de sécurité est fixé à 10 pour les équipements suspendus recevant du public (cas de la nacelle), les suspentes étant des câbles dont les sollicitations varient beaucoup du fait des mouvements de la charge. Pour prendre en compte la fatigue du matériau, le constructeur retient l’effort de service comme critère de choix des câbles.

Question 1.3.3

Calculer l’effort à prendre en compte dans le choix des suspentes en tenant compte du coefficient de sécurité. Justifier le choix d’un câble de type 19T15S par le constructeur en utilisant le DT7.

voir DT7


Allongement d'une suspente dû aux sollicitations

La sollicitation en traction des suspentes varie seulement en fonction de la charge embarquée. La nacelle est suspendue par 10 câbles de 50 m de long, et leur allongement qui en découle intervient directement sur la différence de hauteur entre la nacelle et le quai. Les caractéristiques des câbles utilisés de type 19T15S sont indiquées dans le document technique DT7. On donne par ailleurs la formule de calcul de l’allongement :



Lo : longueur initiale du câble ;

S : section du câble ;

E : module de Young ;

F : charge appliquée sur le câble.

Question 1.3.4

Calculer la variation de longueur des suspentes en considérant que chacune d'entre-elles supporte un poids de 100 kN.

voir DT7


Le pont transbordeur est soumis aux conditions climatiques environnantes. Les températures extrêmes relevées sur trente ans sont données dans le document technique DT7. Lors d'un changement de température, chaque suspente se dilate ou se contracte et par conséquent, la hauteur de la nacelle varie entre l’hiver et l’été. L’objectif est de calculer la variation de longueur d'une suspente et de définir si cette variation est significative ou non.

Question 1.3.5

Déterminer l’allongement d'une suspente dû à la dilatation entre les températures extrêmes données par le graphique du document technique DT7.

On donne :



voir DT7







Question 1.3.6

En déduire l’allongement total et maximum d'une suspente et préciser quel phénomène est prépondérant dans l’allongement des suspentes.

Conclusion

Vous allez maintenant déterminer les équipements nécessaires pour l’accessibilité de cet ERP par les personnes en situation de handicap. Pour permettre de minimiser les effets d’allongement des suspentes, le réglage initial d’altitude de la nacelle sera réalisé à un niveau moyen. Ainsi, la différence de niveau entre le quai et la nacelle vide au plus froid de l’hiver sera symétrique à celle constatée en pleine charge pendant les plus fortes chaleurs de l’été.

Question 1.3.7

Déterminer la différence de niveau entre la nacelle et le quai. Conclure quant à la nécessité d’un équipement complémentaire pour assurer l’accessibilité de cet ERP par les personnes en situation de handicap.

Justifier votre réponse.

voir DT6




ÉTUDE 1.4 : OPTIMISATION DE LA MOTORISATION DE LA NACELLE

Sous le tablier du pont transbordeur, un rail horizontal soutient un chariot lié à la nacelle. Le déplacement de ce chariot est assuré par deux moteurs électriques.

Une approche environnementale raisonnée impose d’étudier en terme d’efficacité toute la chaîne énergétique.

Analyse des constituants de la chaîne d’énergie de la nacelle.

Question 1.4.1

En consultant le diagramme de bloc et le schéma cinématique de la chaîne d'énergie de la nacelle disponibles dans le document technique DT8, compléter le tableau du document DR3 en définissant les fonctions associées aux constituants issus de la chaîne d’énergie de la nacelle.

Les fonctions sont à choisir dans la liste suivante :
alimenter, produire localement, stocker, moduler, convertir, transmettre, agir.

voir DT8

DR3


L’objectif est de déterminer la puissance nécessaire à la motorisation de la nacelle en fonction des exigences de cadencement de l’ouvrage.

Question 1.4.2

À partir du diagramme d'état de la nacelle et du graphe des déplacements de la nacelle du document DT9, indiquer sur le graphe du DR3, les phases du cycle de fonctionnement. En déduire le temps minimal d’un cycle de rotation.

voir DT9

DR3

La nacelle en charge pour une masse totale de 200 tonnes est motorisée par deux moteurs triphasés asynchrones. Le besoin total en énergie durant la phase d'accélération de 8 secondes est de 1,60 MJ.


Question 1.4.3

Calculer la puissance mécanique totale permettant de délivrer à la nacelle l'énergie nécessaire.
En déduire la puissance de chacun des moteurs.





Dans un souci d’optimisation énergétique, deux types de motorisation sont comparés :

- deux moteurs triphasés asynchrones haut rendement IE2 associés à des variateurs et des réducteurs de vitesse ;

- deux moteurs triphasés synchrones à prise directe (Gearless) associés uniquement à des variateurs de vitesse (pas de réducteur).

Avec pour rendements associés :

- rendement d’un variateur : v= 0,98 ;

- rendement d’un réducteur : r= 0,89.

Pertes dans la chaîne d'énergie d'un moteur asynchrone

Question 1.4.4

Les données pour le moteur asynchrone sont fournies dans le DT10. Le moteur de référence 315S-2 fournit la puissance maximale (rendement à 100 %). Calculer le rendement global de cette chaine d’énergie composée du variateur, du moteur et du réducteur.
En déduire les pertes totales liées à cette chaîne d'énergie. Le calcul sera effectué pour une puissance utile de 100 kW par moteur.

voir DT10



Pertes dans la chaîne d'énergie d'un moteur synchrone

Question 1.4.5

Les données pour le moteur synchrone LSRPM 315 MR sont fournies dans le DT10. Déterminer le rendement de ce moteur à l'aide des graphes du couple et du rendement en fonction de la fréquence de rotation, les deux moteurs tournant à une fréquence de rotation de 600 trmin-1.



voir DT10



Synthèse

Question 1.4.6

Les pertes dans la chaine d’énergie à moteur synchrone sont évaluées à 13,6 kW au total pour les deux motorisations. À partir de vos réponses aux questions précédentes, rédiger une conclusion argumentée (cinq lignes maximum) quant à l'optimisation énergétique de la motorisation de la nacelle. Votre argumentation précisera la motorisation répondant le mieux à une approche de développement durable raisonnée en terme d’efficacité énergétique.







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