1 - Eduscol

Sujet de l'épreuve de sciences industrielles de l'ingénieur
Installation de transport collectif urbain : le tramway
Présentation du système et de l'étude 1 Généralités
L'accessibilité et la mobilité sont des préoccupations incontournables dans
la gestion et le développement des villes. Les réseaux de transport
collectif constituent l'ossature des échanges sociaux, économiques et
culturels, et font l'objet d'une attention croissante de la part des
responsables de l'aménagement urbain.
Après une période marquée par la prolifération de la circulation automobile
et une vision incomplète de la politique des transports, on assiste
actuellement à une réflexion évoluée sur la hiérarchisation des réseaux
urbains. Le renouveau du tramway s'inscrit dans cette architecture des
transports collectifs modernes, où il occupe une place bien spécifique
entre le bus et le métro. Tramway CITADIS® par ALSTOM 2 Architecture générale d'une ligne de tramway
La ligne est constituée traditionnellement de rails et d'une ligne aérienne
de contact (LAC), constituant les deux polarités de l'alimentation
électrique du véhicule (les véhicules sur pneus nécessitent quant à eux
deux lignes aériennes de contact). Le contact glissant de captage de
l'énergie sur la LAC met en ?uvre un pantographe muni d'un archet. Le
captage côté rail se fait via les essieux et les roues. Les réseaux de transports en commun internes aux villes sont principalement
alimentés en courant continu. Cette disposition permet d'alléger les
matériels roulants, soumis à des cadences élevées de démarrages et
d'arrêts : un trajet inter-stations moyen dure en effet environ une minute
et une ligne de tramway comporte de 15 à 40 stations. L'énergie électrique
est apportée à la LAC depuis le réseau haute tension via des sous-stations
de traction qui contiennent les transformateurs de traction, les groupes de
redressement et les organes de protection. L'électrification de la voie
ferrée est assujettie à la norme EN50163, qui fixe en particulier les
valeurs admissibles des divers potentiels. Le matériel roulant d'une ligne de tramway est constitué de rames
automotrices légères. Ces véhicules ont largement évolué au cours des deux
dernières décennies. Les tramways modernes sont équipés de planchers bas
intégraux, disposition autorisée par l'évolution technologique des bogies.
L'accès des usagers est ainsi grandement facilité, et l'habitabilité est
augmentée.
[pic]
Le tramway est porté par des bogies. Un bogie est une sorte de chariot à
quatre roues auquel la rame de tramway est liée par une liaison de type
rotule. Les bogies assurent le guidage et l'appui au sol de la rame, ainsi
que sa motorisation dans le cas des bogies moteurs. Le tramway étudié ici
comporte 2 bogies moteurs (4 roues motrices) et 1 bogie central porteur.
Tous les bogies comportent des freins. Les tramways modernes font appel aux
multiples ressources de l'électronique de puissance et l'on obtient de la
sorte un fonctionnement satisfaisant des moteurs de tractions, notamment en
termes de niveau sonore et de souplesse d'emploi.
[pic] Au cours de sa desserte, le tramway passe par des phases d'accélération et
de freinage, et doit vaincre les efforts de résistance à l'avancement,
aussi bien en palier (trajet sans dénivellation) que lors de l'ascension
des rampes. En vue d'améliorer les échanges énergétiques sur la LAC, et
aussi dans le but d'autoriser des phases de fonctionnement en totale
autonomie, des solutions embarquées de stockage d'énergie sont actuellement
développées. L'une d'entre elles est le stockage par volant d'inertie. On
peut ainsi optimiser l'implantation des sous-stations de traction et
libérer l'espace urbain des nuisances liées aux supports d'électrification. 3 Description formelle du système
Les différents états d'une rame ainsi que des précisions sur la
constitution du système sont donnés ci-dessous en langage SysML. Diagramme d'état
[pic] Commande de la vitesse de la rame : diagramme d'activité
[pic] Structure matérielle permettant de commander la vitesse : diagramme de
définition de blocs [pic] Des diagrammes complémentaires utiles à l'étude sont disponibles sur les
documents ressources 1, 2 et 3. 5 Contexte de l'étude
Ce mode de transport se développe beaucoup actuellement après une période
de désintérêt. La partie 2 a pour objectif de dégager quelques éléments,
dans une approche sociétale liée aux transports, pour comprendre cette
évolution et de mettre en évidence les caractéristiques globales du système
de transport par une recherche architecturale et environnementale
comprenant une optimisation technique. L'implantation sur un site, la conception et la réalisation des rames et
les besoins en énergie nécessitent des solutions technologiques
performantes et innovantes pour répondre aux contraintes environnementales
actuelles. Dans ce sujet, seules quelques problématiques seront abordées :
- la partie 3 vise à estimer les besoins en énergie pour assurer la
desserte et à vérifier les possibilités nouvelles qu'un volant
d'inertie peut apporter en termes de rendement et d'autonomie ;
- la partie 4 analyse le dimensionnement et le mode d'utilisation du
volant de stockage d'énergie embarqué, en vue de l'optimiser sur des
critères de performance technique et environnementale ;
- la partie 5 vérifie le bon dimensionnement du système d'évacuation
thermique des moteurs de traction. Partie 2 : Recherche architecturale et environnementale 1 Analyse d'un mode de transport, le tramway
L'objectif de cette partie est de proposer une analyse globale sur ce mode
de transport. 1 à partir du document ressource 4, dégager les éléments
qui expliquent pourquoi ce type de transport est utilisé
à nouveau dans notre espace urbain après une période de
désintérêt.
2 à partir du document ressource 4, proposer un
argumentaire qui pourrait permettre de conseiller une
équipe de maitrise d'ouvrage en charge d'étudier une
nouvelle ligne de tramway pour une grande ville de
province inscrite dans les appels à projet du Grenelle
de l'environnement.
2 Vibrations dues au passage d'un tramway
L'objectif de cette partie est de proposer des solutions techniques
permettant d'atténuer les vibrations générées dans le sol par le passage du
tramway. Les vibrations générées dans le sol par les transports guidés urbains
peuvent conduire à des nuisances importantes pour les populations
riveraines, en particulier dans le cas de rues étroites. La propagation de
ces vibrations, de la voie aux bâtiments, puis la régénération de ces
vibrations à l'intérieur des bâtiments peuvent être la source d'un bruit de
grondement audible dans la bande de fréquence 30-200 Hz. Des vibrations
sensibles par l'homme dans la gamme 5-80 Hz peuvent également être
présentes. Le problème des vibrations générées dans le sol soulève en effet de
nombreuses questions dont les plus fréquentes portent sur la manière de les
atténuer, en particulier au niveau de la plate-forme, ou sur leur aptitude
à se propager dans le sol sur une longue distance. Positionnement de l'étude
Le tramway correspond à un véhicule se déplaçant à faible vitesse, en site
urbain, et utilisant des poses spécifiques reposant souvent sur un sol
hétérogène (voir figure ci-dessous).
[pic]
Figure : ensemble tramway-voie-sol
Généralement dans les études réalisées, le sol est supposé multicouche,
avec l'hypothèse supplémentaire que les couches sont horizontales. 3 la complexité des sols urbains nécessite un modèle de
sol de type multicouche hétérogène. Quels phénomènes
physiques faut-il prendre en compte lors de la
propagation des ondes dans le sol ? Modélisation de la voie pour un chargement non symétrique
[pic] Figure : modèle analytique La voie repose sur un sol multicouche comme le montre la figure ci-dessus.
L'axe de symétrie est situé entre les deux rails. L'excitation est supposée
différente sur chaque rail, ce qui induit une rotation de la dalle de
béton.
Une étude dynamique appliquée au système {rails + semelles + dalle}, par
unité de longueur dans la direction [pic], donne les équations suivantes : [pic] (1)
[pic] (2)
[pic] (3)
[pic] (4) avec : z (m) déplacement vertical ;
mr (kg(m-1) masse linéique du rail ;
mD (kg(m-1) masse linéique de la dalle de béton ;
Er (N(m-2) module de Young du rail ;
ED (N(m-2) module de Young du béton ;
Ir (m4) moment quadratique de la section droite du rail ;
ID (m4) moment quadratique de la section droite de la dalle en
béton ;
I0D (kg(m) moment quadratique polaire de la dalle de béton ;
P1 (N(m-1) charge par unité de longueur ;
kp (N(m-2) raideur linéique des semelles ;
KT (N(m²) r aideur en torsion de la dalle de béton ;
P1 (N(m-1) résultante linéique des actions mécaniques exercées sur le
rail 1 ;
F0 (N(m-1) action par unité de longueur de la dalle sur le sol ;
C0 (N) couple par unité de l