Agrégation sciences industrielles de l'ingénieur interne 2022, épreuve 2, option ingénierie des constructionsSujet et rapport du jury

AGREGATION
CONCOURS INTERNE ET CAER

ÉTUDE D'UN SYSTÈME, D'UN PROCÉDÉ OU D'UNE ORGANISATION

COMPOSITION DE L'ÉPREUVE

• -TEXTE DU SUJET :

1. Partie : Description du projet - Contexte socio-économique

4. Partie : DOCUMENTS RÉPONSES

INFORMATION AUX CANDIDATS

• -Concours interne de l'Agrégation de l'enseignement public :

• -Concours interne du CAER / Agrégation de l'enseignement privé :

1. DESCRIPTION DU PROJET - CONTEXTE SOCIO-ÉCONOMIQUE

• 1.1.Présentation du bâtiment
  • 1.1.1.Présentation du bâtiment
    • -Le bâtiment étudié porte sur la réhabilitation d'un gymnase de la ville d'Alès dans le Gard, l'objectif étant d'accueillir des manifestations publiques télévisées avec spectateurs en améliorant les conditions de confort.
    • -L'objectif du maître d'ouvrage est de tendre vers un bâtiment neutre énergétiquement, particulièrement lors de son utilisation.
    • -L'aménagement intérieur pour l'accueil du public sera transformé par la construction de tribunes fixes en Béton Armé en remplacement des tribunes escamotables (voir figure 2).
    • -Le bâtiment doit permettre l'accueil de 2000 personnes pour des manifestations sportives ou culturelles. (1 900 personnes assises sur des gradins, une cinquantaine de personnes composées du staff et des équipes, et une cinquantaine de personnes à mobilité réduite).
    • -Cet établissement recevant du public accueillera quatre types d'activités :
    • -Entraînement diurne des clubs sportifs : volley-ball, basket-ball, handball, tir à l'arc...
    • -Rencontres sportives publiques (championnats ...) en diurne et nocturne.
    • -Manifestations culturelles (spectacles nocturnes ...).
    • -Accueil diurne des écoles locales (activités sportives scolaires)

Figure 1: Façade Nord-est

Figure 2: Vue intérieure

Figure 3 : Plan de masse

1.1.2. Situation géographique

1.1.3. Données climatiques intérieures/extérieures

1.2. Description constructive

1.2.1. Bâtiment existant extrait du C.C.T.P.

1.2.2. Projet d'aménagement objet de l'étude.

• a)Puits thermiques
  L'air de ventilation de la halle de sport transitera par des puits thermiques implantés sous l'aire de jeux (un par bloc de gradins soit huit au total). L'air soufflé dans la halle de sport sera thermiquement neutre. Ces systèmes permettront l'équilibre des déperditions dynamiques (ventilation des locaux).Les modules de traitement d'air (M.T.A.) permettront d'ajuster la température de soufflage, été comme hiver.
  Plusieurs groupes thermodynamiques réversibles en cascades permettront d'assurer la production d'énergie en relève du système de plancher solaire direct (P.S.D.) en chauffage et rafraichissement.
  L'air neuf transitera au travers de grilles placées dans les gradins pour être soufflé dans la halle de sports.
  Les puits thermiques seront régénérés thermiquement par l'émission basse du plancher solaire direct (P.S.D) pendant la période de chauffage.
  Chaque bloc de gradins abritera un M.T.A. raccordé à un puits thermique, soit huit M.T.A. couplés sur huit puits thermiques avec prise d'air en pied de façade.
  Le système d'extraction de la halle de sports est assuré par des ventilateurs d'extraction de type tourelle en toiture.

Figure 4 : Puits thermiques - Prise d'air extérieur

Figure 5 : Module de traitement d'air M.T.A.

Figure 6 : Capteurs solaires dômes en toiture

Figure 7 : Plancher solaire

• -Les gradins en béton seront préfabriqués et seront posés sur des poutres crémaillères supportées par des poteaux en B.A. (figure 9).
• -Le dessous des blocs de tribunes ainsi créés seront fermés par des murs maçonnés créant ainsi un volume sous les gradins permettant de recevoir les équipements de climatisation été/hiver en créant un plénum de soufflage (figure 8).
• -Il sera ainsi réalisé huit tribunes de dimension : 4.50 m de hauteur x 5,00 m de profondeur x 20.00 m de longueur. Les blocs de gradins seront composés de 18 éléments préfabriqués.

• -Leur conception doit permettre la préfabrication en béton armé et une manutention aisée. Chaque élément aura une largeur de 83 cm par 58 cm de hauteur et de 6.60 m de longueur. Ils seront posés sur un ensemble de 4 poutres crémaillères transversales limitant la portée, posées sur des poteaux béton (figure 10).
• -Les éléments préfabriqués formant ces tribunes seront fixés mécaniquement par rails et équerres aux crémaillères.
• -Ces travaux entraîneront la démolition du dallage existant pour réalisation des fondations des murs pignons et des portiques crémaillères de ces blocs de gradins. L'évacuation des matériaux de démolition et l'acheminement des matériaux de construction ou préfabriqués se feront par la façade sud-ouest après démontage du bardage pour permettre l'accès du chantier aux engins de terrassement et de manutention (Grues sur pneus, pelles mécaniques, engins de chantiers et de terrassement...).

Figure 8 : Bloc tribune

Figure 9 : poutre crémaillère

Figure 10 : Tribunes

1.3. Plans architecte

1.3.1. Vue en plan salle de sport

2. Partie : QUESTIONNEMENT

2.1 ÉTUDE 1 : Équipements techniques et énergétiques de la halle de sport

• 2.1.1Étude énergétique du puits thermique

Question 1 : Bilan thermique de la halle de sport en hiver.
À l'aide des documents DT13 et DT15, et du cahier des charges ci-dessus, déterminer le bilan thermique de la halle de sport afin d'assurer l'équilibre thermique du bâtiment en hiver. Compléter le document DR3 en renseignant les valeurs des transferts d'énergie (puissances échangées) entre les différentes parties de l'installation (capteurs solaires, plancher solaire direct, puits thermique, ambiance intérieure, air extérieur). Justifier les réponses. On notera une température moyenne du sol de 11°C (DT15).

Photos indicatives du principe du puits thermique sous les tribunes.

• a)À l'aide du DT15, justifier le choix du bureau d'études de réaliser et de positionner les puits thermiques sous l'aire de jeux.
• b)Justifier le principe de raccordement des canalisations enterrées d'un point de vue énergétique et aéraulique.

• c)Analyser l'abaque de sélection du puits thermique (DT15) et commenter vos observations. Peut-on interpoler cet abaque pour des débits supérieurs ? Justifier votre réponse.

• a)À l'aide du DT15, déterminer la puissance des puits thermiques. La solution retenue équilibre-t-elle les déperditions ? Justifier la sélection.
• b)Quelle est la température de l'air en sortie du puits en été et en hiver ? Justifier.
• c)Évaluer les pertes de charge aéraulique à partir du DT15.

• a)Proposer une composition des modules de traitement d'air à partir des documents DT14. Réaliser un schéma simplifié.
• b)Proposer un schéma unifilaire de régulation été / hiver des modules de MTA pour prendre en compte la variation d'effectif du public, le nombre de modules de traitement d'air et les demandes du cahier des charges. Expliquer votre stratégie de régulation.
• c)Sélectionner l'ensemble des composants des MTA à l'aide des documents DT14, DT15 et DT16 (batterie froide, batterie chaude, ventilateur). On retiendra comme puissance de batterie chaude à fournir par module 20 kW pour un régime d'eau de 45/37 °C et pour la batterie froide la puissance à fournir sera de 25 kW pour un régime d'eau de 5/10 °C produit par les groupes thermodynamiques en relève. Chaque MTA générera une pression résiduelle à chaque bouche de 50 Pa pour permettre la migration de l'air entre le plénum de soufflage créé par les gradins, les tribunes de la halle de sport et l'extraction en toiture. Un silencieux sera installé en sortie du MTA pour limiter les bruits d'air en tribune.

Figure 11 : Capteur solaire dôme

Figure 12 : Plancher solaire direct.

Question 6 : Sélection du plancher solaire direct.
Calculer la température de surface du plancher pour équilibrer les déperditions par les parois en hiver à partir du schéma détaillé suivant, le régime d'eau sera de 45/37 °C. Justifier les résultats.
Quelle précaution doit-on prendre en été pour le rafraichissement ?

• a)En vous aidant du DT10, justifier la solution en dôme (demi-sphère) du capteur solaire mis en place.
• b)À l'aide du DT10, estimer la surface moyenne éclairée tout au long de la journée.
• c)À l'aide des DT10 et DT16, calculer la puissance reçue par un dôme et la température d'eau dans chaque capteur (moyenne annuelle). Conclure.
• d)Déterminer le nombre de capteurs à mettre en place et vérifier la faisabilité d'installation.

• a)En vous appuyant sur la note de calcul thermique été (DT12), estimer la puissance thermique maximale que le bâtiment peut recevoir. À l'aide du DT16, estimer l'énergie reçue par le bâtiment durant une journée d'été en kWh.
• b)À l'aide du DT 15, estimer la chute de température que les puits thermiques permettent en été ? Calculer la capacité de rafraichissement que peuvent apporter les puits thermiques.
• c)Estimer et justifier la part d'économie réalisée en énergie.
• d)En vous aidant du DT 10 et en considérant que l'installation atteint l'équilibre thermique en fin de journée (température de l'eau du PSD = température ambiante de l'air de jeux), calculer la capacité de rafraîchissement que peuvent apporter les capteurs solaires en période nocturne. Estimer la part d'économie réalisée en énergie.
  Note : Dans le DT10, on rappelle la loi de Stéphan Boltzmann sur le rayonnement : le nombre retenu de capteurs installés est de 750 pour des raisons de solidité de la toiture existante.

2.2. ÉTUDE 2 : Étude de la structure métallique et de l'organisation de chantier de la halle de sports

2.1. Étude gestion chantier

Solution 1 ____
Élément plein posé en appuis sur les murs ou poutres crémaillères.

Solution 2

Élément posé à plat sur le plus long côté, en appuis sur les poutres crémaillères.

Solution 3 ____
Élément posé à l'envers par rapport à la solution 2, en appui sur les murs ou sur les poutres crémaillères.

• a)Calculer la position du centre de gravité d'un élément préfabriqué.
• b)Positionner le centre de gravité sur un ou plusieurs schémas.
• c)Calculer le poids d'un élément.
• d)Proposer un nombre de points de levage et leur disposition.

Question 12 : Détermination des apparaux de levage
La solution finalement retenue pour la manutention est la suivante :
Un palonnier simple avec des élingues doubles.
Un seul point de levage dans la largeur de la pièce.

La pose sera effectuée avec une grue télescopique à pneus.

• a)Proposer un schéma coté des éléments à utiliser (sans dimensionnement).
• b)Calculer les efforts dans chaque élément de manutention et les représenter sur le schéma établi précédemment.
• c)Déterminer les apparaux et systèmes d'ancrage en donnant leurs références commerciales.

• a)Sélectionner l'engin télescopique nécessaire pour la manutention et la mise en place des éléments gradins préfabriqués.
• b)Illustrer cette solution de pose en complétant les documents réponses DR01 et DR02. Faire apparaître sur ces documents toutes les données géométriques, l'emprise de l'engin de levage (aire d'évolution), les éventuelles zones de stockage etc...
• c)Quelles sont les raisons qui ont poussé l'entreprise à choisir ce type de moyens de levage ? Apporter d'éventuelles modifications à la solution proposée par l'entreprise.

• -Coefficient de frais généraux, fourniture et matériel : 1,195
• -Coefficient de frais généraux sur masse salariale : 1,375
• -Bénéfices et aléas : 10% du prix de revient
• -Taxe sur valeur ajoutée : 20% du prix de vente
• -Prix horaire moyen : 35,50 €/h
• a)À partir des documents DT13, DT 15, DT 16, DT 17 et des données ci-dessus, établir, pour une équipe de quatre ouvriers, les déboursés secs, le prix de revient et le prix de vente pour la réalisation des puits thermiques.

2.2. Charpente métallique - Croix de Saint-André et pannes

Zone d'étude - Extrait du plan de pignon

Figure 14 : capteurs solaire dôme

3. Partie : DOCUMENTS TECHNIQUES

DT01 Évaluations des efforts appliqués dans les élingues 1/2

DT02 Évaluations des efforts appliqués dans les élingues 2/2

Nombre de points de levage efficaces
Dans un système statique, la répartition des charges dans les élingues dépend de la position des points d'ancrage et de la tension dans les élingues ; en effet, si les points ne sont pas parfaitement symétriques ou si les élingues ne sont pas toutes de la même longueur, certaines ne seront pas tendues. C'est pourquoi, lors de l'utilisation d'élingues 4 brins, seuls 2 points de levage efficaces sont pris en compte dans le dimensionnement. Tous les points de levage mis en place sont considérés dans le calcul lors de l'utilisation d'un système permettant de répartir les charges sur tous les ancrages (palonnier équilibreur, élingues avec poulies…).

• -G = poids de la pièce (kN)
• -qadh = adhérence (kN/m^2)
• -Af = surface coffrée (m²)
• - ψdyn = coefficient dynamique
• - ψe = coefficient d'élingage
• -Neff = nombre de points efficaces

Éléments de manutention : Palonnier / Adaptateur Chariot / Élingue

Adaptateur chariot

DT04 Élingues et Anneaux de levage

• -l'élingue est entièrement vissée.
• -les filetages (douille et élingue) sont propres.
• -l'élingue n'est pas endommagée.

• -l'anneau est entièrement vissé et la plaque est en contact avec le béton.
• -les filetages (douille et anneau) sont propres.
• -l'anneau n'est pas endommagé.

Filatage Rd	Diamètre nominal HA / FeE500	© Cintrage d r	Faço nage
	[mm]	[mm]	L [mm]	# [mm]	b [mm]
12	2 × 05	24	280	60	80
16	2 × 0.8	32	4220	SU	70
20	2×0B	32	640	90	60
24	2 × 810	40	040	90	100
90	2 × 012		830	0c	110
36	2×0.14	50	1140	140	120
42	2 × 010	62	1250	140	120
52	2 × 020	140	1530	140	150

DT06

Caractéristiques «Chariots Élévateurs Télescopiques à Pneus »

PANORAMIC		P 101.10 HM				Dimensions		10 LIO HM		# 6534 HM	P45.18 HM
Masse						A	-	5740	5740	5900	650
Masse totale a vide (avec fourches)	kg	15200	1500	15500	IS400	B	ரார	160	060	1355	1550
Performances						C	mm	3240	3240	3240	3240
Charge maximale	徉	10000	5000	6500	4500	D	inm	1335	035	345	1335
Hautear maximale de levage	m	RII	91	15.9	17.8	E	mm	5735	5235	5235	5235
Portée macimale	01	57	5	9	13.2	E	min	450	450	450	450
Hauteur maxia la charge max	m	71	75	10	10	H	mm	2400	2400	2400	2400
Portée à charge max	m	06	17	3	4,3	M	гот	995	995	995	995
Charge à houteur maxi	kg	5000	5000	4000	7300	P	ரா	2850	2850	2850	2850
Orarge à portie maxi	kg	2750	3000	1600	1000	★	min	4300	4300	4300	4300
Motew a envesions reduides (Euro: 2)						5	mm	5700	5700	5400	5440
Pursance a 2300 tr/min(97/88/CE) kW/CV)
Temps de manoeuvre
Soulérement de la fleche	3	90/19.1	95/19,2	ர்ளி	10.9
Sorte de la fleche	5	75	63	731/76,2	23.9
Vitesse
rapport	km/h	16	16	16	16
2, rapport (vitesse auto-limiter)	km/m	40	40	40	40

DT08 Extrait Eurocode 3

MULTIBEAM
Type B
											#MERISEED
	CARACTELISTIOUES BRUTES
		GEOMETRE		sives	mosin	Inver	eduit	Eef. Gir.	Irentia		mollike d' innria	Sox:
Profils	h.	1 ms	×	mm	D Kg/ml	Iy on ^a	Wy cm"	ty cm	Izcm^a	Wemax on	Wrmin tm°	Ir cm
B120150*	120	1,5	60	387	3.10	82.6	13,94	4,62	12.62	6,60	3.57	1.61
8140150	140	1.5	100	416	3.33	118.9	17,17	5,35	1,2,2	0,51	3,64	175
8170155	170	1,35	130	d75	3.60	195,3	23,19	6,41	13,23	$,69	3,84	1,67
A170100	170	1.6	130	541	4,33	225.9	27.70	0.01	2486	970	5,59	2.14
8200160	200	1,6	160	S37	4.30	296,4	30.08	7.45	13,73	6.71	4,04	1.40
A200160	200	1.0	160	587	4.70	346,4	34,04	Z, GE	24,65	9,75	5,59	2,05
A230160	230	1,6	190	034	5.08	482.9	42.29	8,73	24,81	[0,03	5,08	1.98
A730160	230	1.6	190	233	5.71	542.1	4Z,5	$.72	27,65	1,1,21	6.35	1.97
A220240*	230	2.4	290	949	7,60	715,8	62.90	8,63	3572	14.59	8.29	1,94
A200180	260	1.8	220	760	6,14	727.9	56.39	0,75	27,65	11.20	0.36	1,90
A260240	260	2,4	220	1020	8.17	962,2	74,71	9.71	35,73	14,57	8.29	1.87
A250270	260	2.7	220	1146	9.18	1076,8	83,70	9.09	39,52	16.17	9,22	1.86
A260370	760	3,2	220	1353	10.84	1263,8	90,43	9.66	45,50	18.72	10,71	1.83
C760150	260	1.5	270	756	0,00	771,3	59.68	10,10	0,43	17.58	11,59	2.83
C200180	260	1,B	220	908	7.28	923.9	71,08	10,09	71,74	20,4.4	13,57	2.81
C260240	260	2,4	220	1207	9,07	1221,0	93,93	10,06	92.64	26,49	17,55	2,77
C260320	260	3.2	220	1598	12,80	1603,3	123,35	10,02	118,56	33,29	22.38	2.72
A300180	300	1.6	760	837	670	1020.8	69,07	11.10	27,65	11.19	6,36	1.82
A300240	300	2.4	260	1115	8.93	1362,7	91,58	11,06	3573	1455	8.20	179
A300270	300	2.7	260	1252	10,03	1525,8	102,04	11,04	38,53	10,14	9,23	178
A300320*	300	3,2	260	1460	11,65	1792.6	120,79	11,01	45,52	10.69	i0,73	175
C300160	300	1,6	200	809	0,90	1154.7	77.40	11.52	0.409	19.23	1.20	772
C300180	300	1.6	260	978	7.84	1796.9	66,98	11.51	72,13	21,51	13,70	772
C300240	300	2.4	260	1301	10,42	1715.2	115,27	11.48	03,31	20,10	17.81	2.08
C300320	300	3.2	200	1723	13,81	225a, A	151,91	11.44	118,98	36,30	22.87	2.63
C320160	320	1.0	262	1013	8.12	1500.6	94,33	12,17	72,34	24.15	1,4,26	2.76
C320240	320	2.4	262	1348	10,80	1985.5	175.00	12,13	100.16	31,00	19,59	273
C370770	370	7.7	767	1514	17.13	72777	140,10	17,12	110.99	35,17	70.43	2.71
C320320	320	3.2	262	1787	14,31	2610,5	1,64,80	12,09	127.93	40,92	23.89	2.65
C350180	350	1,8	292	1000	8,54	1861,2	106,90	13,21	27,59	24.49	14,23	270
C350240	350	2,4	292	1419	11,37	2463.4	141.74	13,17	100.47	32,03	18,53	2.66
C350770	350	27	292	1.524	12.77	2758.5	158,85	13,16	11,25	2565	20,57	2,64
C350370	350	3,2	292	1881	15.07	3241.1	185,92	13.12	128.20	41,45	23.87	761
Tur dinnoude

P_(rayonnée) Puissance rayonnée (W/m2) σ
Constante de Stéphan Boltzmann (5.67.10^(− 8) W/m2/^∘K) ε
Émissivité du matériau rayonnant (ici égale à 1)
Température du corps rayonnant (en °K)

DT11 Extrait du règlement sanitaire départemental

• 2.Fenêtres non ensoleillées
  

  

• 3.Murs extérieurs ensoleillés
  

  

• 4.Murs extérieurs non ensoleillés
  

  

  
  5. Murs intérieurs en contact avec des locaux non climatisés Locaux techniques sous gradins surface 1280 ∼ m^2 U = 1, 25 W/m.K
  

  

• 6.Toiture ensolcillée
  

  

  
  

  

• 10.Eclairage général par tube TL
  

  

• 13.Occupants
  

  

  
  

  

• 14.Ventilation
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  

  
  

  

Bilan énergétique (Déperditions) halle de sports effectif maximum

1. Situation géographique

2. Type de bâtiment

3. Renouvellement d'air

2. Type de bâtiment

3. Renouvellement d'air

Présélection

• (1)Aérotherme
• (2)Conditionneur avec séparateur de gouttes standard
• (3)Conditionneur avec séparateur de gouttes "haute vitesse"
• (4)Conditionneur sans séparateur de gouttes
• *Equipement filtre à vérifier

- Conditionneurs avec separateur standard * Air conditioners with standard separator
Schèma Drawing	Options	Description		Centrale AHU N ^((2))
				25 - 5075100150200250300375450600
	5-2	F1 F1	L	19302040215023002410274028502960
	12	Batterie eau chaude Heating coll	P	225316416530699901 110I 1264
	14	Batierie électrique Electric heater	L
	17	Batterie eau troide Cooling coil	L	19702060219023402450278028903000369038003580
	26	Ventlateur BP Fan LP	P	250 351-466-590 779 1001/1221 1399185121802360

• BP - Aubes à action

• La stabilité des pertes de charge :

• La résistance mécanique :

• Présélection du moteur

• Pressure drop stability

• Mechanical resistance

• Motor quick selection

• MP - Aubes à réaction
• MP - Backward curved blades
  

  

DT16 Extrait de données climatiques de Cal-Sol de l'INES