TPE: LES ECLUSESRéalisé par Daguet Damien et Genot Clément.

Une écluse est un ouvrage d'art hydraulique implanté dans un canal ou un cours d'eau pour le rendre plus navigable et permettre aux bateaux de franchir différent niveaux.

Un ouvrage d'art est une construction de grande importance entrainée par l’établissement d’une voie de communication routière, ferroviaire ou fluviale (ponts, tunnels) mais également un dispositif de protection contre l’action de la terre ou de l’eau (murs, tranchée couverte, digue) et enfin un dispositif de transition entre plusieurs modes de transport (quais et autres ouvrages portuaires).

Est-ce-que le fonctionnement des écluses a-t-il évolué au fil du temps ? Et comment a-t-il peut évoluer ?

Pour répondre à cette problématique, nous allons parlé des écluses en général, puis dans un second temps nous allons nous centré sur un cas simple : l'écluse du Panama pour ensuite terminer sur les différentes étapes de la conception

I- Les écluses en général.

1) Les origines

À l'origine (Moyen Âge, Renaissance), le mot « écluse » désigne un vannage simple. Le mot apparaît en français sous la forme "écluse" au XIe siècle. Plusieurs pays vont construire des écluses dont la Chine avec une première écluse à sas, en 948, où Ch'iao Wei Yo avait créé sur le Grand Canal, à la place d'un plan incliné de 75 m de long, un sas fermé de deux portes mobiles. Mais aussi, les Pays-Bas, à Spaarndam, en 1285 par Florent V de Hollande et en Italie par Léonard de Vinci

2) Le fonctionnement

a) L'entrée

A l'approche de chaque écluse, si la porte amont n'est pas, ou se trouve incomplètement, ouverte, un feu rouge l'alerte de se tenir éloigné pour éviter les remous. Quand le feu passe au vert, le bateau pénètre lentement dans le sas. Des vérins hydrauliques, commandés à distance, referment la porte.

Amont c'est une partie d'un cours d'eau qui,vis-à-vis d'un point donné, est en direction de la source, par opposition à l'avale.

b) Le processus d'éclusage

Pour obtenir, dans le sas, un même niveau d'eau qu'en aval et permettre ainsi au bateau de poursuivre son chemin, les portes "aval" s'ouvrent en deux temps : d'abord, des vantelles qui équipent les portes laissent sortir l'eau de façon progressive ; puis, quand le niveau est descendu dans le sas, on ouvre les portes en grand.

Aval c'est plus près de la fin, au-delà de, dans le sens où s'écoule le cours d'eau.Vantelles c'est est une vanne à guichet coulissant dans un cadre.

c) La sortie

Le niveau d'eau se trouve identique, à présent, dans la partie aval du cours d'eau et à l'intérieur du sas. Une fois les portes ouvertes, le bateau sort de l'écluse lentement. En moyenne, un passage d'écluse dure 10 minutes. Pour un bateau "montant", se dirigeant donc de l'aval vers l'amont, les opérations sont inversées.

3) Forme des écluses

a) Écluses ovales

Les premières écluses ovales étaient en bois ; Leur forme ovale permettant de résister à la pression du terrain et de faire passer plusieurs bateaux en même temps. On retrouve ces écluses, maintenant maçonnées en pierre sur le Canal du Midi mais aussi en Espagne, Italie ou en Scandinavie.

b) Écluses rectangulaires

La forme rectangulaire est la plus répandue et l’apparition du béton armé, par sa mise en œuvre et son entretien aisés, a considérablement accéléré son développement. Le Canal de Briare a été l’un des premiers à accueillir les écluses rectangle.

c) Écluses rondes

Il y a aussi les écluses rondes dont la forme est dictée par le terrain. A Agde, cette écluse unique au monde construite par Pierre Paul Riquet en 1680, permet de relier 3 cours d’eau par un même sas : l’Hérault, le Canal du midi et le Canal Maritime. Située entre le canal latéral à la Loire et l’Allier les cours d’eau étant quasiment côte à côte, l’écluse ronde des Lorrains permettait autrefois aux bateaux d’effectuer une rotation complète dans le sas afin de se diriger vers la sortie. Elle n’est aujourd’hui utilisée que pour les besoins an alimentation des cours d’eau.

4) Systèmes d'écluses

a) Écluses à porte à relevages(dites « à guillotine »)

Apparue en Chine vers l’an 1000 mais que pour une des deux portes, ce système d’écluse ne fût réellement mis en place qu’au 15ème siècle sur un des canaux de Milan (le Naviglio Grande). Difficilement manœuvrables ces portes sont aujourd’hui utilisées uniquement pour les portes avales de certaines écluses hautes comme à Arzviller ou sur le Rhône.

b) Écluses à portes pivotantes ou « portes secteurs »

Ce système, expérimenté au 17ème mais peu répandu, repose sur des doubles

portes dont la courbures annulent la pression de l’eau et qui pivotent sur un axe vertical.

c) Écluses à portes busquées

Le principe repose sur une double porte qui une fois fermé s’oppose au flux d’eau. Créé au 15ème siècle, des inventions ultérieures comme le système de manœuvre et des « ventelles », petites fenêtres en bas des portes permettant d’équilibré la pression et de faciliter l’ouverture des portes, ce système est aujourd’hui le plus répandu sur tous les canaux du monde.

d) Types de franchissement

Les écluses sont idéales pour les franchissement de dénivelés moyens (de 1m à 25m). D’autres dispositifs ont donc été créés pour permettre des franchissements plus important :

– Les escalier d’écluses : plusieurs écluses à la suite : Fonserannes.– Les pentes d’eau : couloir d’eau retenue par un bouclier mobile comme

à Montech ou à Fonserannes (en parrallèle de l’escalier).– Les plans inclinés : bac (en eau ou à sec) horizontal hissé sur un plan

incliné : Arzviller.– Ascenseur à bateau : bac en eau hissé à la verticale comme en

Belgique, sur le canal du Centre, l'ascenseur funiculaire géant de Strépy-Thieu.

Pour conclure, il existe dans le monde différents types d'écluses avec des fonctionnements différents selon l'environnement où elles se situent. Nous allons donc nous baser sur une écluse et son fonctionnement, celle du Canal de Panama.

II- Exemple d'écluses : le Panama.

1) Histoire

Le canal de Panama a été construit entre 1904 et 1914 par les Américains après une première tentative de la part des français.

Il fait parti de l'une des plus grandes œuvre d'ingénierie au monde et est situé en Amérique Latine où il traverse l'isthme du Panama et relit l'océan Pacifique et l'océan Atlantique.

Pendant plus de 90 ans, le canal était géré par les américains, il est aujourd'hui géré par les autorités panaméennes depuis le 31 décembre 1999. Le canal de Panama est un enjeu économique pour l'isthme, en effet, il rapporte 2,27 milliards de dollars annuels.Il permet chaque année a 14000 bateaux de relier l'océan Atlantique et l'océan Pacifique. Cependant, l'évolution du transport maritime a entrainé un projet d'élargissement du canal approuvé en 2006 et qui couterais plus de 5 milliards de dollars.

Ce projet a été réalisé dans le but de garder un compétitivité du canal devant la demande mondiale. Il consiste a créer une nouvelle ligne d'écluse adaptée aux grandes dimensions des bateaux maritimes.

2) Le fonctionnement

Le canal de Panama est un canal à écluses. Les trois jeux d’écluses à deux voies qui jalonnent le canal fonctionnent comme des ascenseurs hydrauliques pour permettre aux navires de franchir la région montagneuse. L’eau utilisée pour ces éclusages est celle du lac de Gatun. Lors d’un éclusage, les portes des chambres sont fermées afin que l’eau, grâce à la force de gravité, passe du sas amont ou supérieur au sas aval ou inférieur. Les 197 millions de litres d’eau douce nécessaires à cette opération sont enfin déversés dans la mer.

Ce fonctionnement est opérationnel 24 heures sur 24 pendant toute la période de l'année. Grâce aux ascenseurs hydrauliques, les navires s'élèvent à 26 mètres au dessus du niveau de la mer depuis l'océan Atlantique ou Pacifique jusqu'au lac de Gatun. Chaque écluse est remplie avec plus de 100 000m³ d'eau en provenance du lac de Gatun, puis déversée en mer.En 2005, 14011 navires ont traversés le Canal de Panama et depuis son ouverture en 1914, ils ont été plus de 922 000 navires a avoir traversé le Canal.

Nous utiliserons cette écluse car elle est importante pour la mondialisation en raison qu'elle soit situé sur le canal du Panama qui permet de relier, chaque année, 14000 bateaux à l'océan Atlantique et à l'océan Pacifique. Et que ce canal permet de rapporter 2,27 milliards de dollars annuels.

En conclusion, les écluses n'ont pas tellement évoluer au fil du temps. En effet, le fonctionnement reste le même mais l'homme a tout de meme réalisé quelques modifications pour économiser de l'energie et même de l'eau pour actionner les écluses. Mais ce qui a évolué c'est le fait que l'homme n'a plus besoin de contrôler les écluses directement, mais indirectement à l'aide de capteur.

III- Présentation de notre production.

La première étape pour notre projet a été de rechercher un exemple d'écluse afin de nous orienter sur notre réalisation. Nous avons choisi le canal de Panama, constitué de plusieurs écluses. Nous avons donc commencé par réaliser les différentes pièces avec le logiciel Solidworks 2012, nous avons commencé par concevoir les deux plaques principales :

Après nous avons réalisé toutes les petites pièces qui ont servi a maintenir les deux servomoteurs :

Ces pièces font ensuite tourner les portes à l'aide d'une tige montée en force dans une autre pièce et dans les deux portes :

Nous avons notamment du faire face à un problème, celui du frottement des portes sur le fond de l'écluse qui ne les faisaient pas complètement tourner. Nous avons donc refais la pièce ci dessus pour surélever les portes. Apres avoir monté l'écluse,

nous nous sommes mis à la réalisation des bassins, pour ensuite réaliser le support qui les soutiendra ainsi que la carte d'alimantation, la carte de commande des deux servomoteurs et la carte mère.

Nous avons ensuite monté les trois bassins, les cartes électroniques, les interrupteurs pour lancer les deux programmes et les trois leds pour les bassin sur le support.

Apres les deux montages, nous nous sommes mis à souder et relier les différents fils qui partaient des cartes électroniques pour allumer les leds et pour actionner les servomoteurs pour faire pivoter les deux portes.

Et pour finir, nous avons rentré les différents programmes pour tester chaque partie de l'écluse pour ensuite rentrer le programme principal. Ensuite nous avons fixer les support des bassins et l' écluse sur un planche de bois.

En effet, pour tester les différentes parties de l'ensemble de l'écluse, nous avons réalisé plusieurs petits programmes pour ensuite rentrer le programme ci-dessous :

Synthèse personnelle de Clément Genot du TPE sur les écluses.

J’ai choisi le thème des écluses et plus particulièrement l’exemple du canal de Panama car j’ai été fasciné d’apprendre que l’homme, à la fin du XIXème siècle, était capable de réaliser un projet d’une telle envergure. En effet je suis intéressé par les grandes innovations de l’homme dans le monde du passé et du présent.

En prenant ce sujet, j’ai appris différents éléments qui rendaient le canal de Panama unique au monde. Par exemple le système des bassins qui permet d’économiser quelques centaines de mètres cube d’eau ou encore la taille impressionnante des écluses.

Ce qui m'a plus lors de la réalisation du TPE, c'est d'avoir conçu les pièces sur SolidWorks pour ensuite les assembler ensemble en plus des deux servomoteurs et des leds.Nous sommes tombés sur quelques petits problèmes lors du montage, notamment pour fixer les deux servomoteurs car certains trous n'étaient pas forcement en face des autres trous sur la plaque principale de l'écluse. Nous avons donc dû refaire le perçage pour une pièce. De plus, nous avons eu d'autres problèmes avec la programmation pour l’écluse. En effet, le programme de l’écluse n’est pas forcément difficile à réaliser sur l’ordinateur mais lorsqu’on le rentre dans la carte mémoire, celui-ci fonctionne rarement du premier coup. Nous avons donc du recommencer un certain nombre de fois avant que le programme fonctionne correctement.Cependant, lors des premières séances, j'étais moins motivé pour le TPE car je n'arrivais pas à me mettre d'accord avec Damien pour le thème principal. C'est finalement au bout de trois séances que nous nous sommes mis d'accord pour commencer à réaliser notre projet.Lors de la réalisation, Damien et moi avons avancé à une vitesse convenable car nous avons réalisé le travail que nous nous étions confié et qui était majoritairement terminé à chaque séance. Cependant, lors de nos heures de permanences où nous n'avons pas de devoirs à faire, je venais en salle de SI pour avancer dans notre projet mais Damien venait rarement avec moi. Bien entendu, ces heures la n'étaient pas obligatoires donc je dirais que ce fut le petit détail qui aurait pu être amélioré pour rester dans un esprit d’équipe.

Pour conclure, ce TPE aura été une expérience agréable pour découvrir l'univers de l'ingénierie et donc la conception, le montage et la programmation qui n'est pas forcement mon point fort.

SYNTHESE PERSONNELLE DE DAGUET DAMIEN

J'ai bien aimé le projet de l'écluse car il ma permit de découvrir plusieurs techniques de SI comme flowcode ou solidworks. Au début, je ne connaissais pas ces techniques. J 'avais du mal à faire des pièces sur solidworks puis grâce à plusieurs cours, j 'ai pu réussir à mieux le manipuler. Après plusieurs mois de constructions sur solidworks, qui est du au fait que nous avions fabriquer l'écluse entièrement or il faillait le faire en plusieurs parties, nous devions fabriquer les pièces qui nous a pris deux semaines.

Lors de la construction, il fallait réaliser des pièces avec pliage, chose que nous ne connaissions pas mais grâce à de bonnes explications par les professeurs, nous avons réussis à manipuler le pliage et nous avons pu continué.

Après la fabrication de chaque pièce et la construction de l'écluse, il allait passer au chose sérieuse soit le branchement des fils. Il fallait brancher toutes les LED et tous les fils. Il fallait les souder et du coup quand nous avions à un certain moments quand nous avions soudé plusieurs fils, on s'y retrouvait plus mais nous avions réussi à tout fixer. Par contre après, il fallait faire la programmation et là ce fut une galère pas possible à cause des courts circuits, des cartes : alimentation, commande et mère.

J'espère que le programme fonctionnera et que nous pourrons montrer le fonctionnement de notre écluse.

Sources:-http://www.pragmasoft.be/carnets/geo/ecluse/ecluse_simulation.html-http://fr.wikipedia.org/wiki/%C3%89cluses_du_canal_de_Panama-http://www.sagapanama.fr/article-extension-du-canal-de-panama-3-nouvelles-ecluses-91932028.html-http://pedagogie.ac-limoges.fr/hist_geo/spip.php?page=articleimage&id_article=72-http://www.saone.org/doss/doss01/princecl.html