Agrégation interne SII - 2019 - Épreuve commune d'admissibilité sciences industrielles de l'ingénieur

Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur

Épreuve d'admissibilité : Analyse et exploitation pédagogique d'un système pluritechnique.

Options :

•     Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie Mécanique
•     Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie Électrique
•     Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie des Constructions
   

Support : Évolution de vannes clapets du pont-barrage situé sur l’Allier

Mise en situation

Le sujet porte sur l’évolution de vannes clapets du pont-barrage situé sur l’Allier, reliant les villes de Bellerive et de Vichy

Caractéristiques du plan d’eau du lac d’Allier formé par la retenue du pont-barrage :

‒ retenue d’eau de 5,3 km sur l’Allier en amont ;
‒ barrage en déversement de 5,5 m de haut ;
‒ lac de 2,75 km de long, de 120 hectares et contenant environ 2,5 millions de m3 d’eau ;
‒ activités sportives praticables (apprentissages et compétitions) : l’aviron, le ski nautique, la voile et la planche à voile, le canoë-kayak et le rafting sur la rivière artificielle.

Le pont-barrage de Vichy est inauguré en 1963. Il est composé de 7 vannes clapets, dont la forme spécifique en « ventre de poissons » offre une très grande rigidité à la torsion. Chaque vanne clapet dispose d’un entrainement mécanique unilatéral. Dans sa version originelle l’entrainement de chaque vanne est réalisé par un système moteurs-pignons-chaîne Galle, développant un effort nominal de 1000 kN.

Conformément aux obligations fixées par son « règlement d’eau », le barrage doit s’effacer complètement dès que le débit amont de la rivière atteint 500 m³·s^-1. Les vannes clapets s’abaissent totalement dans le sabot de l’ouvrage.

En 2008, avec l’abaissement brutal de la vanne n°1, suite à la rupture de sa chaîne d’entrainement causée par le dysfonctionnement de son électrofrein, le lac d'Allier se vide au cours de la nuit, conduisant à une baisse de niveau de deux mètres en amont, et une onde de crue de 50 cm en aval. Après réparation, le lac retrouve son niveau normal.

Suite à cela, la ville engage un lourd programme pluriannuel de rénovation de cet ouvrage, notamment la rénovation des vannes et envisage le remplacement des systèmes d'ouverture à chaîne Galle par des vérins hydrauliques sur les passes 2, 4 et 6. En parallèle un contrôle met en évidence une forte détérioration de la liaison pivot en pied de vanne clapet de la passe n°2 ainsi qu’une forte diminution d’épaisseur de matière des parois de la vanne. Cette vanne sera remplacée par une vanne clapet neuve.

En 2012, l’actionneur initial est bien remplacé par un vérin hydraulique. Cette solution d’ouverture par « vérin hydraulique » est testée sur la nouvelle vanne clapet installée en passe 2. Bien que le déplacement hydraulique offre une très bonne précision, l’expérience montre que cette solution n’est pas nécessaire pour actionner les vannes clapet du barrage. La solution historique de relevage par moteur électrique, pignons et chaîne Galle est conservée, des améliorations en termes de sécurité sont apportées afin d’éviter l’incident de 2008.

En résumé :

• Le système d’ouverture N°1 (historique) composé de vannes clapets, de moteurs-pignons-chaînes Galle reste installé sur les passes n° 1, 3, 4, 5 ,6 et 7.
• Le système d’ouverture N°2 (évolution 2012) composé de vannes clapets avec vérin hydraulique est installé sur la passe n°2.

Étude proposée :

Au travers de la mise en situation et des études suivantes proposées :

• vérification, dans le cadre d’une approche « structure et matériaux » si les solutions d’ouverture ont une influence sur la liaison pivot en pied de vanne et de vérifier la tenue mécanique de la vanne clapet vis-à-vis du matériau choisi ;
• étude des conditions permettant de répondre aux exigences : « assurer la sécurité des habitants des rives amont/aval ».

Il s’agit de proposer, en lien avec ces études, des exploitations pédagogiques pertinentes :

• élaboration d’une séquence pédagogique « choix de structure et matériaux » en STI2D ;
• identification et exploitation des modèles numériques en STI2D ;
• approche de l’enseignement technologique en langue vivante (ETLV) en STI2D.

Le sujet comporte plusieurs parties indépendantes.
Les différentes parties devront être clairement identifiées dans la composition.
Les parties 1 et 3 se poursuivent par une exploitation pédagogique directement liée à l’étude proposée

Partie 1 : Analyse et choix de solutions en vue de respecter l’exigence 1.1.3 « Supporter les efforts de poussée de l’eau »
Partie 2 : Élaboration d’une séquence d’enseignement « choix de structure et matériaux » en STI2D
Partie 3 : Validation de l’exigence 1.3 « Assurer la sécurité des habitants des rives amont/aval »
Partie 4 : Utilisation pédagogique des modèles multi physiques en STI2D
Partie 5 : Enseignement technologique en langue vivante (ETLV) en STI2D.