Problématique de l’étude de cas sur les tours du World Trade Center

Sécurité dans les bâtiments de grande hauteur : les solutions utilisées dans le World Trade Center ont-elles été efficaces le 11 septembre 2011 ? Quelles étaient leur impact sur l’environnement  ? Quelles sont les solutions retenues pour les nouveaux grattes-ciel ?

Plan de l’étude menée en classe

0) Analyse de documents et expérimentations
1) La structure porteuse des tours du WTC
2) L’impact
3) La tenue au feu
4) L’effondrement
5) Solutions pour optimiser la sécurité
6) Impact sur l’environnement des attentats du 11 sept.
7) Conclusion

Voici quelques éléments de l’étude.

 0) Analyse de documents et expérimentations

Recherche par binômes d’éléments de réponse dans des documents fournis (5 docs) :

. doc 1 : Extraits d’un article de Wikipédia.fr sur le World Trade Center.

Plan d’un étage et système d’ascenceurs d’une tour du World trade Center (Source : Wikipédia.fr)

Plancher d’un étage du World Trade Center (Source : Wikipedia.fr)

. doc 2 : Article de CyberArchi.com : Quatre ans après le 11 septembre, les causes de l’effondrement.

. doc 3 : Article dans le magazine Sciences et Vie de septembre 2011 sur l’analyse de ce qui s’est probablement passé le 11 septembre 2001.

. doc 4 : Article du Monde.fr : Plus loin, plus haut : l’architecture après le 11-Septembre

. doc 5 : Publicité pour l’amiante dans un magazine de 1981.

– Réalisation de petites exériences simples.
. Expérience 1 : Analyse du comportement de la tour aux conséquences de l’impact, c’est à dire à la destruction partielle d’un étage. Réalisation d’une maquette simple d’une tour à structure métallique avec un jeu de construction (Géomag).
. Expérience 2 : Essais de stabilité d’une baguette de bois à une forte charge en compression :
contreventement, flambage.
. Expérience 3 : Analyse du comportement de la tour à l’impact. Essais d’impact d’une boule sur la maquette d’une tour.

1) La structure porteuse des tours du WTC

– Projection d’une vidéo sur les gratte-ciels (17 min)

Rrésistance au vent, résistance des poteaux à la compression, flambage et contreventement, performance de l’acier pour les structures porteuses, déformation et rupture en cas de surcharge, WTC le 11 sept 2001, résistance à l’impact d’un avion, résistance au feu, résistance à un séisme, fondations, avenir des gratte ciels.

http://www.youtube.com/watch?v=EL5UREj4R-M

2) L’impact

. Modélisation énergétique.
. Comparaison avec une rafale de vent.
. Conclusion : L’impact d’un avion le 11 sept 2001 était comparable (à préciser) à une très forte rafale de vent pendant 1 s. . La structure est conçue pour résister au vent fort : effort horizontal réparti qui fait fléchir la tour. . La structure était conçue pour résister à un impact d’avion à basse vitesse (le dixième de l’énergie du 11/09/01).
. Pourquoi les tours ont résisté ? Impact = assez faible énergie, dégâts localisés mais importants sur la structure porteuse, structure permettant le transfert des charges sur les poteaux intacts qui résistent car sur dimensionnés.

3) La tenue au feu

 4) L’effondrement

. Pourquoi un effondrement généralisé aussi rapide et violent ? Analyse énergétique de la phase d’effondrement du WTC : L’énergie qui a permis l’effondrement du WTC est venue de l’énergie potentielle de pesanteur de la partie haute de la tour située au-dessus du crash de l’avion. Cette énergie s’est transformée en énergie cinétique. Cette énergie a permis la déformation des, matériaux et la destruction des tours. Elle s’est transformée au final en chaleur. La structure était conçue pour permettre une destruction par dynamitage du noyau central : solution très efficace !

5) Solutions pour optimiser la sécurité

– Analyse d’un article du Monde.fr sur l’architecture après le 11 sept :

Plus loin, plus haut : l’architecture après le 11-Septembre

. Evolution des normes de construction plus axées sur la sécurité : murs plus épais, plus de béton, alimentation doublée du système d’extinction d’incendie (Sprinklers), escaliers plus larges pour faciliter l’évacuation, escalier dédié aux pompiers, … Surdimensionnement et redondance.
. Normes contraignantes : surcoût de 3% à la construction, redonne confiance au marché.

– Projection d’une vidéo sur les pompiers des gratte-ciels (34 min)

http://www.youtube.com/watch?v=VlnPsivFFE8

. Recherches par binômes des solutions nouvelles proposées dans la vidéo pour optimiser la sécurité en cas d’incendie.
. Améliorer la conception en développant des outils CAO spécifiques aux incendies.
. Informer les pompiers de la situation (zones touchées par l’incendie, températures et durées, tenue de la structure porteuse, nombres de personnes présentes, …).
. Action automatique contre l’incendie : aspersion, ventilation, …

– Généralisation
. Acquérir et traiter des informations, transmettre des informations, commander des actionneurs (la partie opérative du système).
. Solutions technologiques : Informatique, électronique, électrotechnique, automatisme.
. Schéma fonctionnel du système présenté dans la vidéo:
. Observation d’une porte coupe feu du LP2I avec un électroaimant pour la maintenir ouverte et un ressort pour la fermer quand la centrale d’alarme détecte un incendie.
. Identification en pratique de quelques composants ou fonctions : un capteur de température, un relais, un afficheur LCD.
. Caractéristique de transfert d’un capteur de température analogique (Sortie = f(entrée)).
. Exemples de chronogrammes de signaux en sortie de capteurs de température, en sortie du traitement par comparaison avec un seuil, …
. L’électronique va prendre une place importante dans les bâtiments modernes (sécurité incendie, séismes, communications, …).

– Distribution d’un document de cours sur l’architecture fonctionnelle des systèmes :
Architecture fonctionnelle des systèmes (fichier Open Office).
Architecture fonctionnelle des systèmes (fichier pdf).

6) Impact sur l’environnement des attentats du 11 sept.

– Coût des dégâts très importants pour les assurances, pour la ville, pour l’état, pour la société.
– Gestion des décombres : . 300 000 tonnes de déchets (+ poussières et fumées).
. Seul l’acier a été recyclé (très loin en Asie).
. Transport des déchets non recyclables dans un lieu proche. Création d’un parc sur les déchets.
. Nombreuses personnes gravement malades à cause de l’exposition à des vapeurs et des poussières toxiques.
– Nouveaux bâtiments avec nouvelles normes :
. Plus de béton (processus de fabrication énergivore, non recyclable), plus d’espace pour la sécurité, plus d’électronique (industrie à fort impact et déchets peu recyclable), … plus d’impact sur l’environnement pour une même surface habitable.
. Moins de matériaux nocifs comme l’amiante.
. Moins d’accidents couteux liés à un incendie ou à un séisme (bâtiments détruits, blessés, faillites, …), …

7) Conclusion
– La conception de la structure porteuse a résister à l’impact d’un avion et a permis l’évacuation de 98% des pers. le 11 sept.
– La mauvaise tenue au feu de la structure, le manque d’informations disponibles pour les sinistrés et pour les pompiers, … ont causé l’effondrement et la plupart des morts.
– L’impact sur l’environnement a été important.
– Les nouvelles normes de construction améliorent la sécurité mais augmentent l’impact sur l’environnement.
– Les nouvelles technologies de lute contre les incendie augmenteront encore l’impact sur l’environnement.
Notre société ne semble pas prête à abandonner la construction de gratte ciels et ne semble pas vouloir limiter l’impact sur l’environnement des normes de sécurité.

Autres documents utilisés en classe

– Evaluation formative sur le World Trade Center :
Format Open Office : Eval formative WTC (a completer)
Format pdf : Eval formative WTC (a completer)

– Evaluation sommative sur le World Trade Center :
Format Open Office : Eval Som 1 (a completer)
Format pdf : Eval Som 1 (a completer)

Les corrections sont disponibles ci-dessous (.zip avec fichiers en .doc et en .pdf) :

Corrections evaluations WTC