Problématique : Efficacité et impact sur l’environnement des solutions retenues dans le cas du World Trade Center pour assurer la sécurité, notamment vis à vis des attentats du 11 septembre 2001.

Le 11 septembre 2001 fût un évènement important dans le monde mais surtout dans l’histoire des États-Unis. Comme vous le savez, Manhattan est le quartier d’affaires de New-York. Pour relancer l’économie américaine, un projet de 7 immeubles d’affaires a été commencé en 1958. La construction de ses immeubles débuta en 1966 et se termina en 1973 mais pour cela, il a fallu détruire 164 immeubles. Ces 7 tours ont environs 110 étages chacune pour une superficie total de 400 000 m², 200 000 tonnes d’acier et 425 000 m³ de béton pour chacune des tours.

Nous allons nous intéresser plus particulièrement aux 2 tours jumelles touchées lors des attentats du 11 septembre 2001.

La première tour (la tour nord) fut touchée entre le 93^ème et le 98^ème étage, celle-ci a tenue 102 minutes après l’impact.

L’impact de la deuxième tour (la tour sud) a eu lieu entre le 78^ème et le 84^ème étage. La tour a tenue 56 minutes après l’impact.

 

Nous allons parler de la structure des tours. Elles sont constituées de dalles en béton et de poutres (structure en treillis) pour le plancher. La structure porteuse est composée de 47 poteaux en acier qui abritait les ascenseurs et les escaliers.

Pour la conception de ces tours, il fallait un type de structure solide mais aussi assez léger, pour cela les ingénieurs ont choisi l’acier.

• Comment se transfèrent les charges ?

Les poutres supportent des charges. Ces charges se transfèrent aux poteaux qui eux supportent le poids des étages supérieurs et transmet la charge aux poteaux inférieurs. Les poteaux travaillent en compression tandis que les poutres travaillent en flexion. Il y a compression sur la partie supérieure des poutres et partie inférieure, il y a traction.

• Peut –on comparer l’impact de l’avion à une rafale de vent ?

Si nous prenons un B767 de 140 tonnes à 700km/h pour l’impact de la tour nord

Nous calculons l’énergie cinétique : E = (J)    v² = m/s     M =kg

 E=(1/2).M.V²

 E=(1/2).14.10^4.(700/3.6)²

 E=2.7 GJ

Si nous prenons maintenant un B767 de 140 tonnes à 800km/h pour l’impact de la tour sud.

Nous calculons l’énergie cinétique : E = (J)   V²= m/s   M =kg

 E=(1/2).M.V

E=(1/2)14.10^4.(800/3,6)²

 E=3.5 GJ

Prenons une rafale de vent qui a pour vitesse V 100km/h

V=100.(100/3600)

 V=(100/3,6)

Masse de l’aire :

Masse volumique :  =(M/G)    M : kg    G= m³

                                                                      M= .V

 M=1,2.7,2.10^5

 M=8,6.10^5 kg

 M=860 tonnes

E=(1/2)8,6.10^5.28²

L’impact de l’avion dans la tour sud est d’environ 10 fois plus fort qu’une rafale de vent à 100km/h. Nous pouvons dire que l’impact de l’avion est en partie comparable à une forte rafale de vent. La structure de la tour était conçue pour résister au vent. Il y a flexion de la tour (effort horizontal) et déformation élastique.

 Flexion

La déformation plastique est une déformation irréversible.

• Qui est-ce qui a fait que les tours ont résisté à l’impact ?

Comme nous l’avons vu, l’avion a une énergie cinétique. Celle-ci se libère lors de l’impact. La tour absorbe cette énergie, ce qui se traduit par la déformation et/ou par des ruptures localisées de la structure (déformation élastique de la structure). Il y a dégagement de la chaleur mais pas assez pour que l’acier ce déforme. Malgré cela, la tour a résisté. Les transferts de charges ont été possibles grâce aux liaisons entre les poteaux qui ont été ajoutés pour la tenue au vent et pour la répartition du poids de l’antenne. Malgré la surcharge des poteaux, ils ont tenu grâce au coefficient de sécurité (surdimensionnement des poteaux, …) principe de la redondance.

Principe de redondance : Système de protection par redoublement de systèmes, d’appareillages ou d’informations

• Le feu

L’origine du feu est le Kérosène. Le système d’incendie était inopérant car il a été coupé lors de l’impact.

L’acier commence à se déformer à partir de 500° voir 600°C. Étant donné que la flamme avait une température de 1000°C et que l’acier commence à fondre aux alentours de 1500°C. Il n’a pas pu y avoir fusion de l’acier dans les tours.

Pour limiter la propagation de la température, les ingénieurs avaient mis un isolant thermique tel que l’amiante mais aussi du béton et du plâtre. Aux alentours de 500° et 600°C, il y a déformation plastique des poutres et des planchers à cause du poids. 

Étant donné que les planchers étaient boulonné avec les poteaux, il y a eu cisaillement des boulons, puis chute d’un plancher, il y a eu flambage des poteaux extérieurs car ils étaient trop surchargés. La partie supérieure de l’impact n’est plus soutenu, il y a effondrement en chute libre.

Flambage

• L’effondrement

17 étages viennent percuter le plancher de l’étage inférieur pour la tour nord et 33 pour la tour sud. La durée de l’impact est très brève mais avec une très forte puissance. Une partie de l’énergie suffit à rompre les liaisons de l’étage percuté. La chute continue tout en étant un peu freinée. L’effondrement se fait étage par étage. Tout est réduit en poussière.

 

 

• Quelques solutions pour optimiser la sécurité

Meilleure résistance des matériaux au feu, surdimensionnement de la structure, principe de la redondance, redonner confiance aux personnes, mieux former les usagers aux exercices d’évacuation, mettre des dispositifs électroniques pour mieux informer les pompiers mais aussi les sinistrés,…

• Impact sur l’environnement

Lors de l’impact du 11 septembre 2001, des produits toxiques comme l’amiante ont été propulsés ce qui a fait de nombreux malades.

La surface d’un étage est de 63.4 * 63.4 = 4020 m² environ. L’espace utilisé par les bureaux est de 4020 – 1130 = 2890 m² environ. Soit environ 4020 – 2890 = 1130 m² utilisé par les ascenseurs. La surface utilisée par les ascenseurs est « perdue » car il plus d’énergie pour faire fonctionner les ascenseurs mais ça demande aussi plus de matériaux à construire.

Il y a des nouvelles normes qui sont mises en place sur les bâtiments de grande hauteur mais cela à un impact négatif sur l’environnement à la construction. Notamment pour faire des bâtiments plus solides (en mettant du béton mais celui-ci n’est pas recyclable), il faut mettre plus d’équipements de sécurité,…

 

En 2006 un film nommé “World Trade Center”  a été tourné.