Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2021 · Métropole - Architecture et Construction (AC)

Problématique générale: Comment l'arche des petites bêtes s'inscrit-elle dans une démarche de développement durable ?

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Édifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Inscription dans une démarche de développement durable

Q1.1

Identifier, à partir des textes de présentation et du diagramme des exigences du DT1, pour chacun des 3 piliers du développement durable:

DT1: diagramme des exigences

Partie 1: Comment inscrire les matériaux choisis dans une démarche de développement durable ?

Structure porteuse

La structure porteuse du toit du bâtiment est construite en poteaux de bois lamellé-collé (voir DT2). L'étude porte sur les 12 poteaux de la face externe. Ceux-ci mesurent 5,9 m de haut, ont une largeur à leur base de 0,5 m et à leur sommet de 1 m.

DT2: modèle numérique de la structure porteuse de l'arche (toiture enlevée)

Le DT3 présente une étude éco-environnementale comparative entre la solution finalement choisie (bois et assemblage de provenance locale) et une solution en acier 5 fois plus résistante, permettant l'emploi d'une épaisseur plus fine, mais d'une provenance plus éloignée.

DT3: étude comparative d'éco-conception (poteau bois lamellé-collé)

Paramètres: poteau bois lamellé-collé épaisseur 250 mm, masse 274 kg, cycle de vie 50 ans, transport par camion 32 tonnes, distance de 50 km.

DT3: étude comparative d'éco-conception (poteau acier)

Paramètres: poteau acier épaisseur 50 mm, masse 1270 kg, cycle de vie 50 ans, transport par camion 32 tonnes, distance de 1500 km.

Q1.2

Estimer, pour les 2 matériaux envisagés, les valeurs de l'énergie totale dépensée dans le cycle de vie d'un poteau puis de l'équivalent en kg de CO2 total rejeté, à l'aide des données du DT3.

Q1.3

Calculer en pourcentage, dans le cas d'un poteau en acier, la part du transport dans l'énergie totale dépensée dans le cycle de vie puis dans l'équivalent en kg de CO2 total rejeté, à partir du DT3.

La part du transport pour la solution en bois est quasiment nulle. Justifier l'intérêt de l'emploi de matériaux locaux.

Q1.4

Calculer le rapport énergie totale acier / énergie totale bois, à partir du DT3. Calculer ensuite le rapport équivalent en kg de CO2 total acier / équivalent en kg de CO2 total bois, toujours à partir du DT3.

Justifier à l'aide de ces rapports le choix de la structure bois issue d'une production locale.

Matériau isolant sur les parois

Les parois de l'arche ont été conçues afin d'assurer l'isolation thermique maximale du bâtiment, les « petites bêtes » vivant dans des univers spécifiques. Elles doivent également garantir la résistance mécanique, la rigidité et la sécurité des personnes. Le choix s'est porté sur un matériau composite et écologique, le béton de chanvre, obtenu par mélange d'un granulat léger d'origine végétale (le chanvre) et d'un liant minéral (la chaux). Comme tout végétal, le chanvre absorbe et stocke du CO2 pendant sa phase de croissance.

Le DT4 donne certaines performances du béton de chanvre pertinentes pour notre étude.

Q1.5

Expliquer pourquoi le béton de chanvre est un bon compromis pour assurer l'isolation thermique et garantir la résistance des parois, en vous appuyant sur les données du DT4.

Le béton de chanvre n'est pas la solution traditionnellement choisie par les constructeurs pour ce type de parois. Le Document Technique DT5 présente une comparaison entre le béton de chanvre et d'autres solutions d'un point de vue environnemental.

Q1.6

Relever, sur le DT5, la valeur de CO2 émis par le béton de chanvre durant son cycle de vie.

Expliquer pourquoi cette valeur est négative.

Conclure quant aux choix de l'architecte vis-à-vis des critères environnementaux pour la réalisation des parois.

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Édifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Partie 2: Comment respecter la réglementation thermique en vigueur ?

La technique du béton projeté utilisée pour la mise en œuvre du béton de chanvre permet d'obtenir la courbure esthétique de la face externe, voulue par l'architecte. L'épaisseur des murs en béton de chanvre n'est donc pas constante.

Question 2.1

Relever les épaisseurs minimale et maximale des murs, données sur les plans du document DT6 (coupe AA). Calculer l'épaisseur moyenne:

$$e_{\text{moy}} = \frac{e_{\max} + e_{\min}}{2}$$

Compléter les cases correspondant à l'épaisseur moyenne $e_{\text{moy}}$ du béton de chanvre et de l'enduit de chaux sur le DR1.

Questions 2.2 à 2.4

Question 2.2: Calculer les résistances thermiques des couches de béton de chanvre et d'enduit de chaux en utilisant le DT7. Indiquer ces valeurs sur le DR1.

Question 2.3: Identifier les valeurs des résistances superficielles extérieures et intérieures d'une paroi verticale en utilisant le DT8. Indiquer ces valeurs sur le DR1. Calculer la résistance thermique totale de la paroi.

Question 2.4: En déduire le coefficient de transmission thermique $U_P$ de la paroi sur le DR1 et vérifier que la réglementation $U_{\max}$ est respectée.

Paroi

Composition

Coefficient de transmission thermique $U_P$ ($\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$)

Maximum réglementaire $U_{\max}$ ($\text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$)

Plancher bas · Polyuréthane 10cm, Béton 20cm · 0,30 · 0,4

Mur extérieur · Béton de chanvre, Enduit de chaux 2 cm · À déterminer · 0,45

Plancher intermédiaire · Bois · > 5 · Pas d'exigences

Mur intérieur · SIPOREX ép 15 cm · 0,59 · Pas d'exigences

Toiture terrasse végétalisée · Terre 8cm, Bitume, Polyuréthane 6cm, OSB 2cm · 0,41 · 0,28

Plancher sous comble · Ouate de cellulose 20cm, Panneau OSB 2cm · 0,2 · 0,28

DOCUMENT RÉPONSES DR1 - Calcul de la résistance thermique de la paroi en béton de chanvre:

Nom

Épaisseur en m

Conductivité thermique $\lambda$ en $\text{W}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$

Résistance thermique $R_{\text{th}}$ en $\text{m}^2\cdot\text{K}\cdot\text{W}^{-1}$

Surface extérieure

Enduit de chaux

0,7

Béton de chanvre

0,1

Surface intérieure

$R_{\text{th}}$ totale:

Question 2.5

On donne la longueur totale des murs: 88,77 m et on néglige, pour le calcul, les diverses ouvertures du bâtiment.

Relever la hauteur des murs en béton de chanvre sur le plan donné dans le DT6.

En déduire la surface des murs en béton de chanvre.

Question 2.6

Pour le confort des visiteurs, on souhaite maintenir une température à l'intérieur de l'Arche de 19 °C. La période de chauffe du bâtiment dure du 1 er octobre au 30 avril, soit 212 jours. En raison de la forme arrondie de la paroi, le coefficient de transmission thermique moyen est pris égal à $U_P = 0,4\ \text{W}\cdot\text{m}^{-2}\cdot\text{K}^{-1}$.

Calculer la température extérieure moyenne durant la période de chauffe à l'aide des informations du DT9.

En déduire l'écart de température moyen entre l'intérieur et l'extérieur durant cette période.

Calculer le flux thermique moyen qui traverse les parois verticales en béton de chanvre en kW.

DT9: données climatiques de Thoiry

Paramètre

Jan. · Fév. · Mars · Avr. · Mai · Juin · Juil. · Août · Sept. · Oct. · Nov. · Déc.

Température moyenne (°C)

2,7 · 3,5 · 6,7 · 9,6 · 12,9 · 15,8 · 17,8 · 17,6 · 15,3 · 10,7 · 6,4 · 3,6

Question 2.7

Calculer l'énergie thermique perdue au travers des parois verticales en béton de chanvre en $\text{kW}\cdot\text{h}$ durant la période de chauffe.

Compléter le DR2 pour obtenir les déperditions thermiques totales.

DOCUMENT RÉPONSES DR2 - Calcul des déperditions thermiques:

Paroi

Pertes en $\text{kW}\cdot\text{h}$

Plancher bas · 10 260

Mur extérieur (béton de chanvre)

Toiture terrasse végétalisée · 11 215

Plancher sous comble · 1 370

TOTAL

Question 2.8

L'étude précédente permet d'estimer les déperditions énergétiques à environ 37 000 kW·h. Un logiciel de simulation numérique a permis d'obtenir un bilan énergétique thermique complet de l'Arche. Ce résultat est présenté sous la forme d'un diagramme de Sankey dans le document DT10.

Comparer les valeurs des déperditions obtenues par simulation avec celles calculées par l'étude.

Expliquer cette différence en citant 2 autres sources de déperditions thermiques qui n'ont pas été prises en compte dans les calculs.

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Édifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Partie 3: Comment couvrir de manière renouvelable une partie des besoins énergétiques de l'arche ?

Selon le diagramme de Sankey, les besoins thermiques nets sont de 21 679 kWh. On estime que ceux-ci représentent environ 70 % des besoins énergétiques globaux du bâtiment. Ces besoins sont donc évalués à 30 000 kWh par an. Afin de respecter les contraintes environnementales de l'Arche, on souhaite mettre en place des panneaux solaires photovoltaïques pour couvrir une partie des besoins énergétiques.

3.1

Indiquer le pourcentage d'énergie renouvelable à injecter dans le système, à partir du diagramme SysML des exigences (DT1).

En déduire l'énergie que doivent produire les panneaux solaires.

%

3.2

Justifier le choix d'une inclinaison des panneaux solaires à 45°, à partir de l'irradiation globale présentée sur le document technique DT11.

mois

Irradiation globale journalière (kW·h·m⁻²)

- Inclinaison 0°

Irradiation globale journalière (kW·h·m⁻²)

- Inclinaison 45°

Irradiation globale journalière (kW·h·m⁻²)

- Inclinaison 90°

janvier · 0,87 · 1,3 · 1,19

février · 1,52 · 2,01 · 1,72

mars · 2,88 · 3,52 · 2,74

avril · 3,92 · 4,05 · 2,71

mai · 5,01 · 4,7 · 2,82

juin · 5,59 · 5,01 · 2,85

juillet · 5,33 · 4,86 · 2,82

aout · 4,44 · 4,39 · 2,78

septembre · 3,38 · 3,86 · 2,81

octobre · 1,98 · 2,61 · 2,18

novembre · 0,99 · 1,4 · 1,25

décembre · 0,72 · 1,11 · 1,04

Moyenne · 3,0525 · 3,235 · 2,2425

3.3

Indiquer la valeur de la quantité d'énergie récupérable sur une année, par m² de panneaux, à partir du DT12 (valeurs irradiation solaire).

mois

Irradiation globale cumulée mensuelle (kW·h·m⁻²) - Inclinaison 45°

janvier · 27

février · 43

mars · 89

avril · 118

mai · 155

juin · 168

juillet · 165

aout · 138

septembre · 101

octobre · 61

novembre · 30

décembre · 22

DT13: Fiche technique panneau solaire Systovi 300Wc

On choisit d'installer des panneaux solaires « Systovi » de puissance 300Wc. Fabriqués en France, ils permettent de réduire l'impact environnemental dû au transport des matériaux.

Technologie: Monocristalline PERC full black 60 cellules (6 × 10), dimensions cellule 156 × 156 mm.

Rendement surfacique: 18,6 %.

Dimensions du module (avec cadre): 1 648 × 988 × 35 mm.

3.4

Relever les dimensions d'une cellule, d'après le DT13. En déduire la surface totale de cellules composant un panneau.

3.5

Calculer la quantité d'énergie solaire qu'un panneau peut capter sur une année (en kW·h) s'ils sont inclinés à 45°.

3.6

Relever, sur le DT13, la valeur du rendement du panneau choisi (fiche technique panneau solaire). En déduire la quantité d'énergie électrique récupérable sur une année par un panneau solaire.

%

3.7

L'installateur propose de mettre en place 15 panneaux solaires.

Conclure en justifiant sur le respect du cahier des charges.

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Édifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Partie 4: Comment améliorer la communication envers les publics scolaires ?

Les parcs zoologiques jouent désormais un rôle crucial dans la préservation de la biodiversité, grâce à leur capacité à sensibiliser et à éduquer un nombre croissant de visiteurs.

Afin de les sensibiliser à la préservation des espèces menacées d'extinction, le zoo souhaite mettre en place le prêt de tablettes numériques permettant une visite plus ludique pour les plus jeunes. L'application qui sera installée nécessite une communication entre les tablettes et un accès internet. Le zoo prévoit l'accueil de groupes scolaires de 30 enfants maximum. Deux groupes scolaires pourront effectuer la visite de l'Arche en même temps.

Le plan d'installation du réseau informatique déjà en place est présenté sur le Document Technique DT14.

4.1

Indiquer la solution retenue pour rendre attractif l'Arche pour les enfants, à partir du diagramme des exigences (DT1).

4.2

Déterminer le nombre d'équipements déjà adressés sur le réseau interne de l'Arche, à partir du plan d'implantation du réseau informatique de l'Arche (DT14).

4.3

Indiquer les valeurs décimales de l'adresse IP du réseau en place et de son masque de sous-réseau, à partir du plan d'implantation du réseau informatique de l'Arche (DT14).

4.4

Indiquer les deux plages d'adresses IP disponibles pour raccorder des nouveaux appareils.

4.5

Déterminer le nombre d'adresses IP restant disponibles.

4.6

Comparer vos résultats, en termes de capacité de connexion de tablettes, au cahier des charges (DT1). Conclure sur les capacités de l'Arche à accueillir les groupes scolaires dans les conditions souhaitées par les responsables du zoo.

Mise en situation

Le Zoo Safari de Thoiry est un parc zoologique proche de Paris accueillant plus de 1500 animaux sur environ 150 hectares du domaine du château de Thoiry. Ceci en fait le deuxième parc le plus étendu en France et le douzième en nombre de visiteurs avec plus de 400 000 entrées chaque année.

Il se décompose, de façon originale, en 3 sections spécifiques:

le château et ses jardins botaniques (classés et labellisés « jardin remarquable » par le Ministère de la Culture);

le Safari;

le zoo classique abritant 750 animaux pour la plupart appartenant à des espèces protégées.

Le parc organise de nombreuses visites et ateliers pédagogiques, notamment pour les enfants de tous âges, encadrés par des animateurs et des soigneurs. Environ 13 000 élèves de primaire et de collège bénéficient de ces stages visant à la compréhension de la nature et des animaux chaque année.

L'Arche des petites bêtes

Inauguré en 2012 dans la section zoo, ce nouveau bâtiment a été imaginé afin de servir de refuge à des animaux moins impressionnants que ceux de la jungle, mal connus, mais parfois bien plus importants pour la biodiversité mondiale. Les « petites bêtes » ont été sélectionnées parmi une soixantaine d'espèces originales ( grenouille mousse, mygale à genoux rouges du Mexique, caméléon panthère, lézard à casque, méduse lune…).

L'Arche des petites bêtes a été conçue pour répondre à 3 objectifs.

Être un centre d'élevage et de conservation pour les espèces d'invertébrés et d'amphibiens menacées

Le bâtiment sert de refuge, de nurserie et de lieu de reproduction pour des animaux rares et en voie d'extinction. Symboliquement, la structure choisie est celle d'un immense vaisseau de bois de 500 m².

Être une structure pédagogique et ludique permettant de sensibiliser le public à la conservation de la biodiversité et au développement durable

« Le visiteur […] est invité à suivre un cheminement traversant cinq zones différentes qui le mènent de l'ombre à la lumière, tant physiquement que sur le plan de la réflexion scientifique et philosophique. Durant sa visite, il passe ainsi successivement par une étape de constat (menaces pesant sur la nature), par le temps de la découverte (merveilles de la nature), par le stade de l'obscurantisme (peur de la nature), par une phase d'observation (connaissance de la nature) pour enfin parvenir aux solutions (préservation de la biodiversité). » Extrait du dossier de presse.

L'ensemble de la structure est, de plus, conçue pour un accès intégral aux personnes à mobilité réduite dans un esprit et un design totalement innovant pouvant attirer un public en grand nombre.

Être une éco-construction minimisant son impact sur l'environnement

« Édifiée avec des matériaux renouvelables et/ou recyclables, l'infrastructure répond au cahier des charges des bâtiments bioclimatiques: isolation très performante et inertie thermique, orientation et récupération des eaux de pluie, filtration de l'eau… De plus, l'Arche des petites bêtes a été bâtie avec des matériaux locaux. Ceux-ci présentent l'avantage d'avoir nécessité peu ou pas de transport (terre de la toiture), ou d'être d'un faible coût énergétique à la production (bois de la charpente), ou encore d'être en grande partie recyclables (béton de chanvre des murs) […].

Le toit végétalisé favorise l'intégration paysagère* mais rend aussi à la faune et à la flore locales la surface au sol affectée au bâtiment». Extrait du dossier de presse.

* Ne pas gêner les perspectives depuis le parc classé par un bâtiment trop visible.

Conclusion générale

Question 4.7

Argumenter sur le bien-fondé des solutions développées, pour chacune des 4 parties étudiées, du point de vue des 3 piliers du développement durable.

Mise en situation

L'Arche des petites bêtes est prévue pour être une construction durable. Outre son aspect extérieur qui lui permet de s'intégrer au mieux dans son environnement, le mode de construction doit lui aussi respecter les trois piliers du développement durable. Pour ce faire, le choix a été fait de réaliser la structure porteuse de l'Arche en bois.

La suite de l'étude porte sur un portique transversal de la charpente, grisé sur la vue en perspective. Ce portique est constitué d'une poutre horizontale, de deux poteaux de rive et d'un poteau central.

Les normes de constructions européennes (Eurocodes) imposent 2 types de vérifications pour les structures:

les États Limites de Services (ELS): il s'agit de vérifier que les déformations de la structure restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

les États Limites Ultimes (ELU): il s'agit de vérifier que les contraintes dans le matériau restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

Pour les constructions en bois, ces valeurs limites sont données dans l'Eurocode 5.

Choix 1 - Partie A: Quel est l'impact environnemental des types de bois étudiés ?

Question A.1

Expliquer ce qu'est le bois lamellé-collé, en précisant sa constitution et son mode de fabrication.

Question A.2

Déterminer le volume de la poutre en bois massif (BM), à partir du document DT S1b, définissant la géométrie du portique. Compléter la case correspondante du document comparatif DR S1 (ligne QA.2).

m³

Question A.3

Selon le CSTB (Centre Scientifique et Technique du Bâtiment), l'énergie grise est l'énergie primaire consommée tout au long du cycle de vie d'un composant d'ouvrage.

Identifier l'énergie grise du bois lamellé-collé (en kWh·m⁻³), à partir du Document Technique DT S2 donnant l'énergie grise par mètre cube des principaux matériaux de construction, puis calculer l'énergie grise de la poutre en bois lamellé-collé (en kWh).

kWh·m⁻³

kWh

Question A.4

Conclure sur le type de bois le plus adapté à une construction durable sur la base de ce critère énergétique.

Mise en situation

L'Arche des petites bêtes est prévue pour être une construction durable. Outre son aspect extérieur qui lui permet de s'intégrer au mieux dans son environnement, le mode de construction doit lui aussi respecter les trois piliers du développement durable. Pour ce faire, le choix a été fait de réaliser la structure porteuse de l'Arche en bois.

La suite de l'étude porte sur un portique transversal de la charpente, grisé sur la vue en perspective. Ce portique est constitué d'une poutre horizontale, de deux poteaux de rive et d'un poteau central.

Les normes de constructions européennes (Eurocodes) imposent 2 types de vérifications pour les structures:

les États Limites de Services (ELS): il s'agit de vérifier que les déformations de la structure restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

les États Limites Ultimes (ELU): il s'agit de vérifier que les contraintes dans le matériau restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

Pour les constructions en bois, ces valeurs limites sont données dans l'Eurocode 5.

Partie B: Quelles sont les caractéristiques mécaniques des types de bois étudiés ?

Pour mener à bien l'étude en résistance des matériaux, il est nécessaire de connaître certaines caractéristiques mécaniques du bois utilisé.

B.1

Identifier l'essence utilisée pour le BLC, ainsi que la classe de résistance d'après les informations données dans le cartouche des plans de la charpente du Document Technique DT S3.

DT S3: Cartouche des plans de charpente

B.2

Selon la classe de résistance du bois, l'Eurocode 5 fixe les grandeurs caractéristiques à prendre en compte (voir DT S4). Relever sur les extraits de l'Eurocode 5 du DT S4, le module d'élasticité moyen axial $E_{0,g,\mathrm{mean}}$ (en MPa) et la masse volumique caractéristique $\rho_k$ (en $\mathrm{kg\cdot m^{-3}}$) d'un bois lamellé-collé homogène de classe GL24.

DT S4 - Tableau 2: Valeurs caractéristiques des bois lamellés-collés

B.3

En prenant $10\ \mathrm{m\cdot s^{-2}}$ comme valeur pour la pesanteur, calculer le poids propre de la poutre en BLC (en daN), sachant que le volume de la poutre en BLC est de $2{,}265\ \mathrm{m^3}$ et la longueur totale de $18{,}51\ \mathrm{m}$. En déduire la charge linéique correspondante à prendre en compte.

B.4

Des simulations numériques des portiques ont permis d'obtenir les diagrammes des efforts de cohésion dans les différents éléments (voir DT S5). Indiquer les sollicitations auxquelles sont soumis les différents éléments du portique (poutre / arbalétrier, poteaux de rive, poteau central) à partir du DT S5. Justifier.

DT S5: Diagrammes d'efforts de cohésion dans le portique en BLC

B.5

La poutre horizontale est essentiellement soumise à de la flexion, c'est donc cette caractéristique qui sera vérifiée par la suite. Relever, dans le DT S4, la contrainte de flexion admissible $f_{m,g,k}$ en MPa pour un bois lamellé-collé homogène de classe GL24.

Mise en situation

L'Arche des petites bêtes est prévue pour être une construction durable. Outre son aspect extérieur qui lui permet de s'intégrer au mieux dans son environnement, le mode de construction doit lui aussi respecter les trois piliers du développement durable. Pour ce faire, le choix a été fait de réaliser la structure porteuse de l'Arche en bois.

La suite de l'étude porte sur un portique transversal de la charpente, grisé sur la vue en perspective. Ce portique est constitué d'une poutre horizontale, de deux poteaux de rive et d'un poteau central.

Les normes de constructions européennes (Eurocodes) imposent 2 types de vérifications pour les structures:

les États Limites de Services (ELS): il s'agit de vérifier que les déformations de la structure restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

les États Limites Ultimes (ELU): il s'agit de vérifier que les contraintes dans le matériau restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

Pour les constructions en bois, ces valeurs limites sont données dans l'Eurocode 5.

Choix 2 — Partie C: Les 2 types de bois vérifient-ils les critères des États Limites Ultimes ?

Dans cette étude, la vérification des ELU porte sur les contraintes dans la poutre.

Rappel:

La contrainte maximale en flexion est:

$$\sigma_{\max} = \frac{M_f}{I_{Gz}} (h/2)$$

où:

$M_f$: moment fléchissant dans la section

$h$: hauteur de la section

$I_{Gz}$: moment quadratique de la section

pour une section rectangulaire $I_{Gz} = \frac{b \cdot h^3}{12}$ où $b$ et $h$ sont respectivement la largeur et la hauteur de la section.

Question C.1

Déterminer le moment fléchissant maximal atteint dans la poutre en BLC à partir des diagrammes des moments fléchissants du DT S5.

DT S5: Diagrammes d'efforts de cohésion dans le portique en BLC

kN·m

Question C.2

Calculer le moment quadratique en m⁴ de la section de la poutre en BLC, à l'aide du plan du portique du DT S1a.

DT S1a: Vue en élévation du portique en bois lamellé-collé (section arbalétrier: 135x945 mm)

m⁴

Question C.3

Calculer la valeur de la contrainte maximale (en MPa) dans chacune des poutres (BLC et BM) en prenant $M_f = 185\text{ kN}\cdot\text{m}$.

MPa

MPa

Question C.4

Conclure sur le document comparatif DR S1 en précisant si le critère des ELU est vérifié ou non pour les deux types de bois.

Mise en situation

L'Arche des petites bêtes est prévue pour être une construction durable. Outre son aspect extérieur qui lui permet de s'intégrer au mieux dans son environnement, le mode de construction doit lui aussi respecter les trois piliers du développement durable. Pour ce faire, le choix a été fait de réaliser la structure porteuse de l'Arche en bois.

La suite de l'étude porte sur un portique transversal de la charpente, grisé sur la vue en perspective. Ce portique est constitué d'une poutre horizontale, de deux poteaux de rive et d'un poteau central.

Les normes de constructions européennes (Eurocodes) imposent 2 types de vérifications pour les structures:

les États Limites de Services (ELS): il s'agit de vérifier que les déformations de la structure restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

les États Limites Ultimes (ELU): il s'agit de vérifier que les contraintes dans le matériau restent inférieures à une valeur limite réglementaire.

Pour les constructions en bois, ces valeurs limites sont données dans l'Eurocode 5.

Partie D: Les 2 types de bois vérifient-ils les États Limites de Services ?

Dans cette étude, la vérification des ELS porte sur la flèche de la poutre. Selon l'Eurocode 5, pour des éléments structuraux supportant une toiture, on doit toujours vérifier que $f_{\max} \le \frac{l}{250}$ où $l$ est la portée de la poutre.

Question D.1

Déterminer, à l'aide du plan du portique du DT S1a, la portée à prendre en compte.

Calculer la flèche admissible selon l'Eurocode 5 pour le portique en BLC.

m

mm

Question D.2

Les simulations numériques ont permis d'obtenir les déformées et les flèches en tout point des portiques (voir DT S6).

Déterminer, d'après les résultats du DT S6, la flèche maximale de la poutre en BLC.

Conclure sur le document comparatif DR S1 en précisant si le critère des ELS est vérifié ou non pour les deux types de bois.

mm

Question D.3

Choisir la solution la plus adaptée pour le portique en prenant en compte les critères environnementaux et réglementaires, en utilisant les résultats obtenus dans le DR S1.

Question D.4

Argumenter sur la difficulté de réaliser une poutre en bois massif en vous basant sur les résultats donnés dans le DT S7 qui donne des valeurs moyennes de caractéristiques des arbres.

Arbres

Port/Houppier

Croissance

Taille à 10/20 ans

Largeur

Durée de vie

Douglas · conique · rapide · 5/18 m · 3m · 600ans

Pin maritime · irrégulier · rapide · 6/13 m · 5m · 600ans

Pin sylvestre · irrégulier · rapide · 5/13 m · 3m · 300ans

Sapin blanc · conique · rapide · -/10 m · - · 800ans

Cèdre du Liban · étagé · lente · -/9m · - · 300ans

Épicéa · conique · rapide · 6/13 m · 3m · 200ans

Mélèze · conique · rapide · 6/15 m · 3m · 800ans

Question D.5

Conclure en justifiant sur la pertinence de l'utilisation du bois lamellé-collé pour la poutre du portique.