Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable





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Session 2013

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE

Sciences et Technologies de l’Industrie et du Développement Durable

ENSEIGNEMENTS TECHNOLOGIQUES TRANSVERSAUX

Coefficient 8 – Durée 4 heures

Aucun document autorisé

Calculatrice autorisée


Ce sujet sera traité par les candidats se présentant pour la première fois aux épreuves terminales du baccalauréat

Le tramway aérien de Rio de Janeiro

  • sujet

    • partie 1 (3 heures) pages 2 à 8

    • partie 2 (1 heure) pages 9 à 10

  • documents techniques pages 11 à 20

  • documents réponses pages 21 à 24


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


Les documents réponses DR1 à DR4 (pages 21 à 24) seront
à rendre agrafés aux copies.


Le tramway aérien de Rio de Janeiro


Présentation

Rio de Janeiro est une mégapole Brésilienne de plus de 6 millions d’habitants admirée pour sa beauté, ses plages et connue pour son carnaval. Son implantation géographique est telle que la majeure partie de la ville est située sur une multitude de collines et de dépressions formant un paysage escarpé où la circulation urbaine est rapidement devenue un problème.

Plus de 20% de la population habite dans les favelas. Ces habitations constituées d’un amalgame de matériaux de récupération sont concentrées sur les pentes escarpées des collines.

Le déplacement dans ces quartiers ne peut se faire qu’à pied, par cyclomoteur ou par mini van et aucun vrai réseau de transport urbain n’a pu voir le jour du fait de la configuration du terrain.

C’est dans cet environnement que l’état de Rio a confié au groupe français Poma la réalisation d’un tramway aérien dans le quartier d’Alemão au nord de la ville.

Implantation des gares

Ce tramway aérien est composé de télécabines circulant sur deux câbles reliant six gares entre elles. La gare G3 (Baiana) est la gare motrice. Elle entraine deux boucles de câbles de part et d’autre, une boucle pour les gares G1 à G3 et une boucle pour les gares G3 à G6 (voir schéma page suivante).



G3 : gare de

Baiana

G6 : gare de

Fazendinha

G5 : gare de

Itararé

G2 : gare de

Adeus

G4 : gare de

Alemão

G1 : gare de

Bonsucesso

Interconnexion avec le réseau ferroviaire



G6

G4

G3

G2

G1

G5

Gare motrice

Câble 1 en boucle

Câble 2 en boucle

Section 5

Section 4

Section 3

Section 2

Section 1




Baiana : gare motrice G3
Description générale :

5 sections interconnectées desservant 6 gares

Longueur : 3456 m

Dénivelé : 121 m

Vitesse nominale : 5 m·s-1

Durée du parcours total (de G1 à G6) : environ 17 min

Capacité par cabine : 10 passagers

Nombre total de cabines : 152

Nombre de cabines en mouvement : 117

Débit maxi : 3000 passagers/heure dans chaque sens

PARTIE 1

Problématique 1 

L’évolution environnementale actuelle impose un choix raisonné pour les déplacements citadins. Le coût de l’énergie, l’impact environnemental et le service rendu sont trois critères essentiels pour le choix d’un mode de transport. On se propose de vérifier que le choix du tramway aérien réponde à ces critères.


Fabrication sur le sol
Le transport à visage durable

L’entreprise Poma implantée à Voreppe près de Grenoble est un des leaders mondiaux du transport par câble. Son expérience de plus de 60 ans dans les remontées mécaniques en station de sports d’hiver lui a permis de se lancer depuis quelques années dans le transport urbain. Cette réalisation de tramway aérien à Rio de Janeiro fait suite à plusieurs installations déjà en fonctionnement à Medellin (Colombie), Taipei (Taiwan), Tianmenshan (Chine) et le célèbre Roosevelt Island au cœur de Manhattan à New York.

Question 1.1

Voir DT 1

A l’aide de l’extrait du dossier de presse, citer et classer dans le tableau du document réponse DR1, les arguments qui montrent que ce tramway aérien de Rio s’inscrit dans une démarche de développement durable.

Les cabines en service à Rio sont du type « Diamond TC10 ». Le constructeur n’a pas développé un nouveau type de cabine mais a utilisé un modèle déjà en service sur de nombreux sites à travers le monde entier.

Question 1.2


Justifier et argumenter ce choix du constructeur du point de vue de la compétitivité.

Bilan environnemental des matériaux de la cabine

Les trois principaux matériaux utilisés pour la structure de la cabine sont l’acier, l’aluminium et le polycarbonate. Lors de la conception de la cabine le constructeur a comparé l’impact sur l’environnement de différents matériaux pour réaliser les vitrages.

L’unité fonctionnelle définie est la suivante : assurer 1 m² de cloison transparente résistant en tout point à un effort normal maximum de 1200 N.

Le document DT3 donne le résultat de l’impact environnemental sur deux critères ainsi que les caractéristiques des matériaux.

Question 1.3

Voir DT 3

Analyser les résultats et expliquer pourquoi le constructeur a choisi un vitrage en polycarbonate pour les cabines.


Fabrication sur le sol
Calcul du débit maximum de passagers

L’objectif de cette partie est de vérifier le nombre maximum de passagers transportés en une heure.


Fabrication sur le sol
La poulie motrice 3 est située dans la gare G3, elle entraîne deux boucles de câbles de part et d'autre de la gare (voir schéma page 3). En fonctionnement normal, les cabines acheminent les passagers à une vitesse linéaire de 5 m·s-1.

La poulie motrice doit donc entraîner les câbles à cette même vitesse (Vc/sol = 5 m·s -1).

Le système de gestion de la gare motrice assure un débit régulier de cabines. Il impose la distance entre deux cabines : Dc = 59 m.

Rappel : Nombre maximum de personnes par cabine : Kp = 10

Longueur de la ligne du tramway aérien (entre G1 et G6) : L = 3456 m.

Question 1.4

Calculer le débit de passagers Qp (nombre de passagers arrivant dans une gare pendant une heure). Comparer votre résultat à la valeur annoncée par le constructeur et conclure.


Fabrication sur le sol
Dimensionnement des moteurs 

L’objectif de cette partie est de dimensionner les moteurs et leur chaîne d'énergie.

Question 1.5

Voir DT 5 et DT 6

D'après le schéma de la chaîne de transmission et le diagramme de blocs internes (ibd) de la chaîne d’énergie en fonctionnement normal, expliquer la particularité de la motorisation choisie.

Question 1.6


D’après la courbe donnée ci-après, justifier le choix de la motorisation si la puissance motrice nécessaire est supérieure à 800 kW.



Données

Une première étude a permis de déterminer la tension dans les câbles pendant le fonctionnement normal de l'installation. Les valeurs des efforts exercés par les câbles sur la poulie (3) sont données ci-dessous.

Poulie (3)

Poulie (3)



(4a→3)

(4b→3)

(2a→3)

(2b→3)

Efforts

Normes

(4a→3)

502 000 N

(4b→3)

615 000 N

(2a→3)

428 000 N

(2b→3)

525 000 N


(Efforts parallèles au plan de la poulie)

Diamètre d’enroulement du câble sur la poulie motrice : Dp = 4,4 m

Rendement du système poulie-câble : p = 0,98

Rendement du réducteur de vitesse : r = 0,965

Pour assurer le débit de passagers, la poulie motrice doit avoir une vitesse de rotation ωp/sol de 2,27 rad·s-1

Question 1.7


Établir l’expression littérale du couple au niveau de la poulie motrice Cp en fonction des forces exercées sur les câbles pour les entraîner. Effectuer l’application numérique.

Question 1.8

Établir l’expression littérale de la puissance nécessaire au niveau de la poulie motrice Pp en fonction de la vitesse de rotation de la poulie motrice ωp/sol et du couple au niveau de la poulie motrice Cp. Effectuer l’application numérique.

Question 1.9

Voir DT 6

Établir l’expression littérale de la puissance délivrée par l'ensemble des moteurs Pm en fonction de la puissance nécessaire au niveau de la poulie motrice Pp. Effectuer l’application numérique. En déduire la puissance P1m que doit délivrer un seul moteur sachant que les moteurs sont identiques.


Fabrication sur le sol
Calcul de l’énergie absorbée en une année par le téléphérique 

L’objectif de cette partie est de déterminer l’énergie consommée par ce tramway aérien sur une année afin de la comparer avec l’énergie qu’utiliserait un autre mode de transport de personnes.

Question 1.10

Voir DR 1 et DT7

En fonction de l’histogramme donné, compléter la colonne du temps de fonctionnement sur l'année dans le tableau du document réponse DR1 (seulement pour les taux du débit de passagers de 100% et 30%, les autres ne sont pas étudiés).

Question 1.11

Voir DR 1

Calculer le nombre de passagers transportés pendant l'année. Pour ce calcul on considérera que le débit maximum (montée+descente) de passagers est de 6000 passagers par heure. Compléter la colonne du nombre de passagers transportés en un an dans le tableau du document réponse DR1 (seulement pour les taux du débit de passagers de 100% et 30%).

Question 1.12

Voir DR 1

Calculer la puissance absorbée selon les taux de débit de passagers. Pour ce calcul on considérera que la puissance absorbée par l'ensemble de l'installation est de 1300 kW pour le débit maximum de passagers. Compléter la colonne de la puissance absorbée dans le tableau du document réponse DR1 (seulement pour le taux du débit de passagers de 30%).

Question 1.13

Voir DR 1

Calculer l'énergie absorbée pendant l'année en prenant en compte les taux de débit de passagers. Compléter la colonne de l’énergie dans le tableau du document réponse DR1 (seulement pour les taux du débit de passagers de 30% et 100%).


Fabrication sur le sol
Comparatif avec des mini vans

Le moyen de transport initialement utilisé dans les quartiers desservis par le tramway aérien est le mini van. L’énergie totale consommée sur une année par ce mode de transport et pour un même nombre de passagers est de 5100 GWh.

Question 1.14


Comparer ces deux modes de transports.

Question 1.15


En vous servant de vos réponses précédentes, rédiger une conclusion argumentée (5 à 10 lignes) sur le respect ou non de la problématique 1.

Problématique 2

Le transport de personnes impose des normes de sécurité rigoureuses. On se propose de vérifier que le tramway aérien de Rio réponde aux exigences de sécurité réglementaires au niveau de la suspente de cabine et du fonctionnement limité par grand vent.

Validation de la suspente de cabine

L’objectif de cette partie est de vérifier que la suspente de cabine permet d’assurer la sécurité des passagers en résistant à la charge totale suspendue.

Analyse du modèle

Données : - Problème dans le plan XY

- Masse de la cabine : 720 kg (DT2). L’ensemble cabine est composé de la cabine, de la suspente et de la pince.

- Masse de référence d’un passager : 80 kg

- Nombre maximum de passagers : 10

- Accélération de la pesanteur : g = 9,81 m.s-2

Question 1.16

Voir DT 4

A partir des données ci-dessus et du bilan des actions mécaniques extérieures à la suspente de cabine, justifier les valeurs des composantes des torseurs d’actions mécaniques {T pince → suspente} et {T cabine → suspente}.


Analyse des résultats obtenus par simulation

Question 1.17

Voir DT 4 et DT 5

Indiquer la valeur de la contrainte maximale relevée dans la pièce en mégapascal (MPa) ainsi que la flèche maximale en mm.

Question 1.18

Voir DT 4

Sur le document réponse (DR2), entourer les zones où la contrainte est maximale.

Question 1.19

Voir DT 4

Citer la limite élastique du matériau utilisé et calculer le coefficient de sécurité.







Coefficients de sécurité typiques

Coefficient de sécurité : s

Charges exercées sur la structure

Contraintes dans la structure

Comportement du matériau

Observations

1 ≤ s < 2

régulières et connues

connues

testé et connu

fonctionnement constant sans

à-coups

2 ≤ s < 3

régulières et assez bien connues

assez bien connues

testé et connu moyennement

fonctionnement usuel avec légers chocs et surcharges modérées

3 ≤ s < 4

moyennement connues

moyennement connues

non testé

mal connues ou incertaines

mal connues ou incertaines

connu







Question 1.20

En utilisant le tableau précédent et en comparant avec la valeur calculée, justifier la valeur du coefficient de sécurité recommandée.

Fonctionnement par grand vent

Le téléphérique ne doit pas fonctionner par grand vent. Des anémomètres sont installés en haut de chacune des gares. La technologie de l’anémomètre est décrite dans le document DR3. L’information de la vitesse du vent doit être codée pour être transmise au système de gestion de la ligne afin d’être traitée.

Anémomètre Alizia 178

Vitesse du vent

Utilisation

Etendue de mesure : 0 – 60 m·s-1

Seuil de démarrage : 0,5 m·s-1

Précision : 0,5 m·s-1


Sortie : 4 - 20 mA pour 0 - 60 m·s-1

Alimentation : 6 à 24 Vcc

Boucle de courant : 2 fils

Domaine d’utilisation : -20 à +70 °C



Question 1.21

Voir DR 3

Identifier, sur le document réponse (DR3), la nature et le type des informations transmises.

Question 1.22


Les données de variation du vent sont analogiques et doivent être transformées en informations numériques pour être traitées par l’automate.

Calculer le nombre de bits nécessaires au codage de l’information relative à la vitesse du vent (120 valeurs à coder).

Question 1.23


Déterminer la valeur binaire correspondante à une vitesse de vent de 27 m·s-1.

Question 1.24

Voir DT 7

Expliquer en quelques phrases le traitement d’information qui est effectué à partir du diagramme d’état.


Question 1.25


En vous servant de vos réponses précédentes, rédiger une conclusion argumentée (10 lignes maximum) sur le respect ou non de la problématique 2.

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