Le stade Pierre Mauroy est situé à Villeneuve-d’Ascq, commune de la métropole européenne de Lille. Il a été inauguré en août 2012. Il était, pour la société Eiffage, un vrai enjeu technologique. Ce sont les architectes Valode & Pistre et Pierre Ferret qui se sont occupé du développement de ce stade.

Ce stade combine à la fois stade, avec une pelouse, et à la fois une Aréna et un palais des sports. Le stade est notamment prévu pour accueillir des matchs de l’Euro 2016. La pelouse mobile permettant au stade de se transformer en Aréna de cette manière est unique au monde. De plus, le stade possède également un toit amovible. La combinaison de ces deux éléments technologiques au sein d’un même stade est une première.

La durée des travaux a été de 2 ans et demi. Le coût est de 282 millions d’euros pour ce qui concerne le stade et ses parkings. L’investissement global était 324 millions d’euros.

Le stade a été tout d’abord créé afin que le LOSC, le club de football de Lille, possède un stade homologué afin de pouvoir participer à la Champions League. De plus, la création de ce stade a favorisé la sélection de la France comme pays organisateur de l’Euro 2016.

Vous pouvez découvrir le stade et son environnement grâce à la vidéo ci-dessous.

En quoi les solutions innovantes retenues par le constructeur pour obtenir les performances souhaitées correspondent-elle à un bon compromis en termes de développement durable ?

La principale innovation technologique, le toit

Le toit du stade est une innovation technologique complexe car il est mobile. Le toit repose principalement sur deux méga-poutres qui traversent le stade en long. Ces méga-poutres mesurent 205 mètres de long et 16 mètres de haut.

Ces méga poutres en acier sont équipés de câbles de précontrainte qui vont créer des efforts internes afin de réduire la hauteur de ces poutres et d’en limiter la flèche quand le toit est fermé. Chacune des deux poutres pèsent 1800 tonnes. Les poutres supportent donc la toiture du stade, la charpente métallique et les quatre plateaux mobiles du toit ce qui fait un total de 7400 tonnes.

 

Pour hisser le tout à 31 mètres de haut, il a fallu attendre le bon moment car le vent ne devait pas dépasser 10m/s. Il s’agissait d’un travail de précision.

 

Le grand stade est muni d’une toiture gigantesque qui se situe de 31 m de haut et possède 4 éléments principaux : 2 structures hautes et 2 structures basses.

Comme nous pouvons voir dans cette section du stade, les quatre éléments se positionnent selon une configuration « gigogne » lorsque le toit est fermé. Ces deux structures hautes ont un poids chacune de 340 t, et deux autres structures basses se pèsent de 280 t chacune et chacun se mesure de 80 m sur 35. La toiture est composée de ce qu’on appelle « demi-toiture » ou « système de toit rétractable » qui est utilisé aujourd’hui non seulement au stade de Pierre Mauroy, mais aussi à l’University of Phoenix stadium. Il y a une autre couverture rajoutée de 30 cm pesant 600 t, qui a une fonction d’étanchéité, d’isolation thermique et de l’insonorisation, à la fois d’anti-réverbération à l’intérieure.

Il faut environ un quart d’heure pour que cette immense toiture puisse s’ouvrir, une structure de semi-portique assure l’ouverture et la fermeture du toit.

La structure de semi-portique appartient à ce qu’on appelle pont roulant, ce système possède au moins une poutre horizontale se déplaçant le long de chemins de roulement, les chemins de roulement peuvent être situés en hauteur ou au niveau du sol.

Dans notre étude de cas, les demi-toitures sont posées sur les mégapoutres qui prennent en charge de soutenir une masse totale de 7400 tonnes et les rails jouent un rôle de guidage pour ces demi-toitures.

Nous pouvons simplifier cette toiture rétractable en un système de pont roulant de grande taille, qui est constitué d’un quadrilatère qui est muni de sommiers équipés de galets assurant le déplaçant sur l’une et l’autre des voies de roulement. Des dispositifs anti-déraillement ou anti-envol peuvent être ajoutés. Ces derniers peuvent prévenir un déraillement, notamment du toit en cas de séisme.

En comparant avec Minute Maid Park, un stade de base-ball américain qui possède aussi un toit mobile, on peut donc calculer la résistance au roulement entre les galets et le rail du roulement afin de prouver la raison pour laquelle le stade de Pierre-Mauroy a choisi ce système du pont roulant en utilisant les galets :

Masse totale du toit (Le cas de Minute Maid Park) :3810 tonnes

Nombre de galets : 140

g(Accélération gravitationnelle) : 10Nm·s^-2.

C_RR (Coefficient de résistance au roulement) :0,003

C_f(Coefficient de frottement)=0,25

Fp(Poids)

F_R(Résistance de roulement)

On estime que le poids repart sur tous les galets par parts égales et que le matériel n’est pas déformé, nous avons alors :

Fp=m.g=3810.10³. 10=38,1 MN

F_R = F_p. C_RR =38100000.0,003=114,3 KN

F_{R(chaque roue)}=F_R/140=816N

Nous comparons avec la force de frottement sur le rail :

F_f=F_p.C_f=38100000.0,25=9,52MN

 

D’après le calcul théorique, nous voyons que l’emploi d’un système de pont roulant avec les galets et le rail réduit efficacement le frottement entre le guidage et le rail. Cela est donc une solution pertinente pour le stade de Pierre-Mauroy d’ouvrir / de fermer le toit.

 

 

EXPÉRIMENTATION

Pourquoi des méga poutres en treillis et pas de simples poutres en I ou de simples poutres planes ? Nous pourrons tester sur des poutres imprimés grâce à l’imprimante 3D l’influence des forces appliqués sur celles-ci. En essayant d’adapter les forces à appliquer en fonction des vraies forces exercées sur les poutres dans le stade, à notre échelle.

 

 

 

 

 

Cette observation nous permettrait de voir pourquoi dans le stade, la structure de la méga poutre est en treillis, et quelles seraient les principales déformations de ces différentes poutres. Nous aimerions également quantifier les différentes flèches, expérimentalement, et voir aussi les répartitions des forces au sein des structures.

Expérimentation 1 :

Nous avons un peu modifié notre expérimentation de départ :

–          Nous allons uniquement étudier les poutres avec un profil en I (IPN)

Sur celle-ci, nous allons voir l’influence du blocage de la poutre (encastrement ou non) pour un effort donné en un point, au centre de la poutre.

Nous allons procéder comme ceci :

Nous allons fixer la poutre entre deux supports, ce qui va la bloquer.

Ensuite nous allons accrocher au centre de la poutre une masse de 900g afin d’avoir une déformation due à cet effort. Au début, nous voulions accrocher une masse de 500g à la poutre, mais la déformation étant trop faible, nous avons augmenté la masse.

 

 

Nous voulons mesurer la différence de hauteur, à un certain point de la poutre, avant et après l’ajout de la masse afin d’obtenir la flèche. Nous allons répéter cette expérience en bloquant sur une plus ou moins grande distance les extrémités de la poutre.

Exemple :

 

 

 

 

 

 

 

Calcul théorique :

 

 

Nous trouvons théoriquement une flèche de 17mm pour un effort due à une masse de 900g placé au centre d’une poutre bi-appuyé.

Résultats expérimentaux :

Lorsque la poutre est encastrée sur 0 cm, cela signifie qu’elle est juste appuyée sur les supports. Nous avons alors trouvé expérimentalement une flèche de 16,5mm alors que nous avions trouvé une flèche de 17mm par le calcul !

Conclusion :

Lors de l’expérience, nous avons remarqué que la flèche de la poutre était de moins en moins importante, plus on bloquait sur une grande distance les extrémités de cette dernière. Cependant, si l’ont fait ça sur une poutre d’un bâtiment, on réduit l’espace habitable, même si l’on diminue la déformation lors de la flexion. Dans le cas de notre stade, le choix a été fait de laisser en appui la poutre ce qui engendre une flèche plus importante, mais qui semble cependant négligeable. Le fait qu’elle ne soit pas encastrée permet de n’avoir aucune restriction au niveau de l’espace habitable qui serait ici l’espace comportant les gradins. De plus, cela permet d’éviter de rajouter une structure supplémentaire à monter pour encastrer la poutre.

 

Expérimentation 2 :

Nous avons voulu, dans cette expérimentation, voir l’importance des structures en treillis dans les structures porteuses.

Conclusion :

En ce qui concerne notre stade, le choix a été de faire une poutre ayant une structure en treillis. Celle-ci permet d’éviter les déformations au sein de la poutre et en plus, la structure en carré est gardée. Elle est représentée par les méga poteaux qui supportent la méga poutre, il y a un angle de 90° entre une méga poutre et un méga poteau. Les triangles à l’intérieur de la poutre permettent également de mieux répartir les efforts subits par cette dernière.

LA PELOUSE ESCAMOTABLE

Tout d’abord, nous allons vous présenter cette pelouse par le biais d’une vidéo ci-dessous. Elle présente l’installation du court de tennis dans l’enciente du stade lors de la finale de la Coupe Davis 2014.

L’escamotage s’effectue en trois partie :

 

 

 

 

 

• Le levage grâce à des vérins disposés sous la pelouse  1h15 (fig.1)

• La reprise de charge durant laquelle on positionne les 24 bras articulés sur les chariots qui vont actionner la translation  20min (fig.2)
• La translation : ce sont les chariots et les vérins « push-pull » qui constitueront le dispositif de translation du plateau par « pas de pèlerin ». Chaque chariot supporte 250t en cas de défaillances. La translation s’effectue grâce à des pas de 90cm. Les vérins sont alimentés par deux groupes hydrauliques. Le contrôle de l’avancé est effectué par un système à roues codeuses  1h30 (fig.3)

Pour que la pelouse sud qui peut rester couverte plusieurs jours ne s’abime pas de son confinement, des rampes d’éclairage horticole et des ventilateurs sont installés en dessous du plateau mobile.

Système à roues codeuses: La roue codeuse est un capteur de position angulaire (et un capteur de vitesse angulaire lorsqu’il est associé à une mesure de temps). Le codeur rotatif est un capteur de position angulaire. Il mesure donc une grandeur d’angle. Pour connaitre la vitesse angulaire, il suffit de chronométrer le temps mis pour parcourir cet angle.

 

 

 

 

Étude 2 : Les Transports propres

Introduction

Les activités humaines sont à l’origine de l’émission de nombreux gaz à effet de serre. Ces émissions de gaz à effet de serre contribuent de plus en plus fortement aux changements climatiques. C’est pourquoi le travail d’un ingénieur de notre époque consiste à éco-concevoir ces produits. Le secteur des transports et l’utilisation de moteurs thermiques fonctionnant avec des carburants issus d’énergies fossiles ont donc une grande importance dans l’origine des changements climatiques actuels. Des évolutions technologiques permettent de réduire les émissions de CO2, mais ces évolutions sont plus lentes dans le secteur des transports que dans les autres secteurs d’activité. Il devient donc urgent de développer des transports propres réellement compétitifs. Le changement de motorisation est une des évolutions majeures dans le domaine des transports. Les motorisations électriques correspondent aujourd’hui à la solution généralement retenue pour réduire les émissions de CO2.

Problématique

Comment un moyen de transport utilisant une motorisation électrique peut être compétitif et avoir un faible impact environnemental ?

Pour répondre à cette problématique, nous avons choisi d’étudier une voiture hybride, la Prius 2 de chez Toyota.

I) Analyse du besoin

1) Comment exprimer le besoin ?

2) Comment satisfaire le besoin ?

Pour satisfaire un besoin, un système est composé de plusieurs constituants, eux-mêmes constitués de composants.

Par exemple, le système qui est ici, notre Prius 2, est constitué de différents constituants comme : une motorisation, une unité de contrôle, une carrosserie, une batterie, un train avant.

 

II) Fonctionnement vu de l’utilisateur

III) Chaîne d’énergie

 

IV) Chaîne d’information

V) Un véhicule préservant l’environnement sur tous les points

En plus de préserver l’environnement lors de son utilisation, la Toyota Prius II le préserve en fin de vie. Le véhicule est à 90 % recyclable. De plus, chaque élément est clairement identifié et se démonte facilement pour simplifier et accélérer le démontage du véhicule en fin de vie.

La conception de la Prius 2 a été modifiée par rapport au processus de fabrication de la Prius 1 afin de réduire l’émission de CO2 lors de sa fabrication. Ainsi, cette modification de la fabrication de la Prius 2 a permis de faire baisser l’émission de CO2 de 31 %.

Sur l’analyse du cycle de vie (qui est un moyen d’évaluer les impacts environnementaux d’un produit), par rapport à une voiture essence de même gabarit, la Toyota Prius 2 émet 32 % de CO2 en moins.

La Toyota Prius 2 est équipée d’un système de climatisation intégralement électrique. Alors que sur une voiture classique, le système est entraîné par le moteur, dans la Prius, les éléments sont alimentés par l’inverseur à courant alternatif et l’inverseur à courant continu intégrés au système hybride. Ceci permet une réduction de 15 à 20 % de la consommation.

VI) Cahier des charges Toyota Prius 2

VII) Fonctionnement a l’intérieur de la Prius

 

 

VIII) Les facteurs influençant les performances

1) Comparaison des frottements aérodynamique et des frottements de roulement entre la Toyota Prius 2 et la Renault Laguna 2

Lorsque la voiture roule, différentes forces s’appliquent sur celle-ci. Il y a tout d’abord la force P correspondant au poids du véhicule qui est donc lié à la gravité ainsi que la force R correspondant à la réaction de la route sur la voiture. Ces forces sont verticales pour un déplacement horizontal et donc n’ont pas d’effet énergétique sur le véhicule. En plus de ces forces il y a la force Fu correspondant à la force utile nécessaire pour maintenir constante la vitesse du véhicule. Cette force compense notamment la force Fr correspondant à la force de frottement de roulement et la force Fa qui est la force aérodynamique.

 Fa = 1/2 ρ.V².S.Cx

Quand on regarde l’équation, on voit que la force aérodynamique (Fa en N) est liée à la masse volumique de l’air qui est constante et qui est de 1,2kg/m3 (ρ), à la vitesse au carré (V en m/s), à la surface frontale du véhicule (S en m²) et au coefficient d’efficacité aérodynamique (Cx).

 

Un déflecteur aérodynamique est un élément de la carrosserie permettant d’orienter un flux d’air vers une direction souhaitée ou de l’en écarter.

Comme la force utile compense la force de frottement aérodynamique et la force de frottement de roulement, Fu = Fa + Fr

Donc plus Fa sera petit, plus Fu le sera aussi, et donc moins il faudra d’énergie pour compenser ces forces.

	Cx	S	SCx
Prius 2	0,26	2,2m²	0,57m²
Laguna 2	0,32	2,1m²	0,67m²

L’équation liée à la force de roulement est Fr = Cr . m . g où m représente la masse du véhicule, exprimé en kg. g l’accélération terrestre en m/s² et Cr le coefficient de résistance au roulement. Alors que les constructeurs devaient faire varier la surface frontale du véhicule et sa capacité de résistance à la pénétration dans l’air pour réduire les forces de frottement aérodynamique, ils doivent, pour faire varier les forces de frottement de roulement, faire varier la masse du véhicule et faire varier les pneus (la surface de contact, la matière..).

	Cr	m
Prius 2	0,012	1350kg
Laguna 2	0,012	1300kg

La légère différence de force de frottement de roulement est due à la légère différence de masse des deux véhicules.

Étant donné que nous avons Fa et Fr, nous pouvons tracer Fu en fonction de la vitesse, selon les deux véhicules :

Nous admettons que la vitesse est constante sur une distance de 100km, nous pouvons calculer l’énergie utile aux deux voitures pour parcourir cette distance pour une vitesse donnée.

Eu = Fu . D où D en m, donc D = 100 000m ici, Fu en newton (N) et Eu en joule (j)

Pour une distance de 100km :

On peut également calculer la Puissance utile nécessaire aux véhicules pour compenser les forces Fa et Fr à tout instant. Pour cela on utilise la relation Pu = 1/2 ρ.V³.S.Cx + Cr .m.g.V + m. a.V

On considère ici m.a.V = 0 car la vitesse est constante et qu’il n’y a pas de phase d’accélération.

	S	Cx	Cr	m	g	ρ
Prius 2	2,2m²	0,26	0,012	1350kg	9,81m/s²	1,2 kg/m³
Laguna 2	2,1m²	0,32	0,012	1300kg	9,81m/s²	1,2 kg/m³

Pour le cycle européen :

Nous admettrons le résultat du calcul réalise par Michel Kieffer dans le cas du cycle européen NEDC .

Énergie utile à fournir à un véhicule dans le cas du cycle européen NEDC, ramenée à une distance de 100 km (le cycle NEDC ne fait que 11 km) :

Eu = 19,2.S.Cx + 0,82.Cr.m + 0,011.m

Véhicule	m (kg)	S (m2)	Cx (sans unité)	Cr (sans unité)	Eu (MJ /100 km)	Eu en litres de gasoil (équivalence)	Rejets de C02 (g, kg ou tonnes)
Toyota Prius 2	1350	2,2	0,26	0,012	39,11 MJ/100km	1,09	2,8
Renault Laguna 2	1300	2,1	0,32	0,012	40 MJ/100km	1,11	2,9

2) Phase d’accélération

Pour accélérer, une voiture à besoin d’une énergie appelée énergie cinétique (Ec).

Ec = 1/2 mV²

Quand on regarde l’équation, on voit que l’énergie cinétique d’un véhicule est liée à sa masse et à sa vitesse. Les constructeurs vont donc faire varier la masse d’un véhicule pour pouvoir faire varier l’énergie nécessaire.

La masse de la Toyota Prius 2 est de 1350kg et la masse de la Renault Laguna 2 est de 1300kg.

Véhicule	m (kg) (maxi)	V (km/h) (maxi)	V (m/s) (maxi)	Ec (kJ, MJ, ou GJ à préciser)	Ec (équivalent en litres de gasoil)	Rejets de C02 (g, kg ou tonnes)
Petite citadine allégée	600	50	14	59kJ	0,0016	4,2g
Voiture 2 : routière standard	1600	130	36	1,0MJ	0,028	75g
Toyota Prius 2 Hybride	1350	130	36	875kJ	0,024	62g
Renault Laguna 2	1300	130	36	845kJ	0,023	60g

IX) Comparatifs Toyota Prius 2 et Renault Laguna 2

	Toyota Prius 2	Renault Laguna 2
Énergie	Hybride	Essence
Moteur thermique	4 cylindres essence 1497 cm3 Puissance max 77 ch à 5000 tr/min Couple max 117 Nm à 4000 tr/min	4 cylindres essence 1598 cm3 Puissance max 110 ch à 5750 tr/min Couple max 148 Nm à 3750 tr/min
Moteur électrique	Synchrone à aimant permanent Puissance max 68 ch Couple max 400 Nm
Performances	Vitesse maxi :170 km/h 0-100 km/h :10,9 s.	Vitesse maxi :195 km/h 0-100 km/h :11,5 s.
Consommations (L/100km)	Cycle mixte : 4,3 Cycle urbain : 5,0 Cycle extra urbain : 4,2	7,2
Emissions de CO2 (g/km)	Cycle mixte : 104	175
Masse (kg)	1350	1300

Source : lp2i

X) Protocole expérimental

Problème

On sait que lorsque un véhicule roule à vitesse constante,

Pu = 1/2 ρ.V³.S.Cx + Cr .m.g.V + m. a.V et m. a.V = 0

Ce qui est surligné en rouge correspond à la force aérodynamique.

On cherche à connaître l’effet de la variation des facteurs V, S et Cx sur l’énergie fournie au moteur.

Hypothèses

– Étant donné que V est au cube, est-ce-que lorsqu’on double la vitesse, la force aérodynamique est 8 fois plus importante ?

– Quel paramètre influence le plus l’énergie donnée au moteur, S ou Cx ?

Expérimentation

Nous allons faire varier la taille (S) et la forme (Cx) des pâles ainsi que la vitesse de rotation (V) d’une hélice fixée sur l’axe d’un moteur, afin d’observer quelles influences ces paramètres ont sur l’énergie délivrée au moteur afin de garder une vitesse constante.

Est-ce réalisable à notre échelle ?

Pour cela nous allons nous aider de la relation V=R*w qui fait le lien entre vitesse instantanée (V en m/s) et la vitesse angulaire (w en rad/s) par rapport à la distance entre le point et l’axe de rotation (R en mètres). Il faut d’abord que l’on détermine à partir de quelle vitesse la force aérodynamique n’est plus négligeable face à la force de frottement de roulement car Pu = 1/2 ρ.V³.S.Cx + Cr .m.g.V + m. a.V

On sait que m. a.V = 0 car la vitesse sera constante.

Pour déterminer cela nous avons tracé les courbes représentatives de la force aérodynamique et de la force de frottement en fonction de la vitesse. Voilà ce que l’on obtient :

 

21,52 m/s = 77km/h

Il faudrait donc que notre dispositif dépasse les 77km/h pour qu’il puisse être efficace.

V=Rw donc R=V/w

Selon le site du constructeur de notre moteur, sa vitesse max est de 90tours/min soit 1,5tour/s.

1,5tour correspond à 3Π radian.

donc R = 21,52/3Π = 2,2m

Résultat

Notre protocole expérimentale ne pourra pas être mis en place à notre échelle car il faudrait un rayon d’au moins 2,2m pour atteindre des vitesses supérieur à 77km/h.

XI) Rendement

Le rendement des moteurs est une valeur à prendre en compte car elle correspond à la quantité finale d’énergie à la sortie du moteur par rapport à l’énergie entrante. Un moteur électrique synchrone à aimant permanent peut atteindre un rendement de près de 95 % ce qui signifie qu’il n’y a qu’environ 5 % de perte sous forme de chaleur. Un moteur thermique possède quant à lui un rendement très faible d’environ 35 % et donc des pertes de 65 %. Ceci veut dire que pour avoir la même énergie en sortie de chaque moteur, il ne faudra pas la même quantité d’énergie en entrée pour chacun de ces moteurs. Il faudra 2,7 fois plus d’énergie à l’entrée d’un moteur thermique pour avoir en sortie la même quantité d’énergie que le moteur synchrone à aimant permanent. C’est pourquoi le ingénieurs favorisent cette solution technique, cela leur permet d’avoir moins de perte. De plus, étant donné qu’il y a moins de perte, cela veut dire que le moteur chauffe moins et qu’il n’a pas besoin d’un système de refroidissement important.

Conclusion

La hausse du coût des produits pétroliers ainsi que la nécessité impérieuse de réduire les émissions de co2 imposent aux ingénieurs de trouver de nouvelles solutions techniques pour les transports de demain.

Une voiture hybride contient deux sources d’énergie, l’une thermique et l’autre électrique. Le moteur thermique est utilisé lorsque les batteries sont vides, ou quand le moteur électrique ne fournit plus assez de puissance. Comme la voiture hybride consomme moins d’essence, elle est par conséquent moins polluante.

De plus, de nombreux véhicules hybrides, comme la Prius 2 de chez Toyota, grâce à différents systèmes, récupèrent l’énergie normalement perdue pour recharger la batterie du véhicule. Cette Prius 2 est protectrice de l’environnement tout au long de son cycle de vie, lors de sa fabrication, de son utilisation et de son recyclage.

La Prius 2 possède un très bon coefficient de pénétration dans l’air, ce qui va limiter sa consommation d’énergie face aux forces aérodynamiques lorsque l’on atteint des vitesses élevées. Les ingénieurs font variés ces paramètres cités dans cette étude, afin de réduire la consommation d’un véhicule et son émission de CO2, mais le véhicule doit rester performant face à la concurrence des autres produits proposés aux usagers.