Qu’est-ce qu’une structure porteuse ?

J’ai présenté à des élèves de seconde, qui étaient intéressés par la STI2D, notre travail sur les structures porteuses dont celles de notre lycée, que l’on avait étudiées grâce à l’étude de cas “World Trade Center.”

La structure du World Trade Center est conçue pour résister au vent fort, un effort horizontal réparti qui fait fléchir la tour. Elle était aussi conçue pour résister à un impact d’avion à basse vitesse. Les tours ont résisté grâce à la répartition des charges due à la liaison des poteaux.

La partie située au-dessus du sol est la superstructure, la partie enterrée dans le sol est l’infrastructure ou la fondation. Celle-ci constitue l’appui de la construction et reçoit les charges. Les  éléments tant lourds que légers et leurs fixations sont utilisés pour associer les éléments du remplissage à toute structure.

Pour plus d’explication allez sur Wikipedia

Sur ce schéma nous pouvons voir de quoi se constitue la structure porteuse d'un bâtiment. Structure

Premièrement, les composants horizontaux : Les dalles et les poutres en béton qui supportent des charges qu’elles transmettent aux poteaux. Ces éléments travaillent en compression car le béton supporte très bien celle-ci mais réagit très mal en traction.
Par contre le pont roulant qui est ici en acier, travaille aussi bien en traction qu’en compression.

J'explique aux élève de seconde comment travail l'acier (Le pont roulant).

Finalement, les éléments verticaux : Les poteaux en béton et les murs porteurs supportent le poids des étages supérieurs et transmettent verticalement la charge aux poteaux inférieurs. La  matière utilisée pour la construction des poteaux est le béton armé qui travaille en compression.

La dalle en béton se pose sur des poutres, en appui elles-mêmes sur des poteaux, qui transmettent la charge jusqu'aux fondations.

Revenons sur un attentat qui a marqué tous les esprits

http://www.youtube.com/watch?v=uhFUn-bkP-A

Problématique: Comment assurer une sécurité optimale dans les immeubles de grande hauteur?

 Au début de l’étude de cas, nous avons regardé pourquoi les américains avaient construit les tours. Nous avons regardé le contexte économique de l’époque et nous avons parlé de quelques caractéristiques des tours (poids, tailles…). Le World Trade Center (WTC) était un ensemble de 7 bâtiments. Les 2 bâtiments touchés par l’impact des avions étaient les tours jumelles car elles étaient presque identiques.

-Pourquoi le 11septembre?

C’est très simple le 11 septembre en Amérique se lit 9/11 et le 911 en Amérique est le numéro d’appel d’urgences nord-américain. Voilà pourquoi l’attentat s’est déroulé le 11 Septembre 2001.

Les tours jumelles pendant leurs constructions source: flickr.com

L’impact sur les tours:

Tout d’abord, nous avons commencé par faire des expériences pour comprendre un peu plus le problème qui s’est produit le 11 Septembre 2001 avec les tours jumelles à Manhattan.

Ces expériences nous ont permis de conclure que les tours étaient tombées à cause de l’incendie qui s’est propagé dans les tours et non à cause de l’impact des avions.

Nous avons calculé la force de l’impact dans le pire cas des 2 tours. L’impact le plus violent était de 3,5GJ sur la 2ème tour.

Impact de l'avion modélisé source:purdue.edu

Cette énergie est comparable à un peu plus de 2 réacteurs nucléaires (centrale de Civaux). L’impact est à peu près équivalent à 1 Tonne de TNT qui aurait explosé dans la tour. Une rafale de vent à 200km/h est comparable avec l’impact des avions.

L’effondrement des tours a été d’environ 900GJ comparable à 200 Tonnes de TNT.

Impact d'un avion sur les tours source:iceberg911.net

La structure porteuse:

Nous avons surtout étudié la structure porteuse des tours et aussi comment nous pourrions avoir une meilleure résistance avec différents matériaux.

Nous avons vu que les tours avaient bien résisté à l’impact et étaient restées debout après l’impact. Ce qui a fait écrouler les tours c’est le feu qui s’est propagé aux étages touchés. Le feu a également fait fléchir l’acier (perte de rigidité à environ 500°C, la zone d’impact était à environ 1000°C). Il y a même eu rupture des poutres, ce qui a provoqué un effet de flambage. Cet effet de flambage a entrainé un poids trop important pour la structure porteuse restante et donc a entrainé un effondrement des tours.

Pour éviter tous ces phénomènes, il faut donc faire des piliers et poutres plus importantes, c’est le principe de redondance. Pour avoir une meilleure résistance, il faut faire un mélange de béton très résistant au feu et avec de l’acier qui est très solide et très léger. Un mélange comme celui-ci pourrait éviter des effondrements ou autres phénomènes.

Matériaux utilisé pour un plancher Truss= Acier Concrete= Béton source:upload.wikimedia.org

Structure de la tour source:iceberg911.net

Effondrement d'une des 2 tours. source:reichstadt.info

 La prévention:

Pour finir, nous avons regardé une vidéo pour trouver des solutions contre le feu dans les grattes-ciels.

Tout d’abord, il faut choisir des matériaux qui résistent mieux au feu comme le béton, et surtout avoir une meilleur gestion de l’information pour anticiper le feu avant l’embrasement généralisé. Pour cela il faut avoir un système automatique des portes et fenêtres, pour pouvoir avoir une ventilation dans la zone embrasée. Mais cela permettra également, quand les pompiers arrivent, que le feu ne soit pas au stade de l’embrasement généralisé et donc qu’ils puissent le maitriser.

http://www.youtube.com/watch?v=BZli6Zt-oII

Conclusion:

Pour conclure, nous avons pris conscience après les attentats du 11 septembre qu’il fallait choisir des matériaux plus résistants, utiliser l’énergie pour pourvoir limiter les dégâts dans la tour et avoir une meilleur gestion de l’information pour pouvoir agir dans les plus brefs délais. L’impact sur l’environnement a été énorme après l’attentat ce qu’il ne faut pas négliger.

http://www.youtube.com/watch?v=sRCcOh7yTyU

Pourquoi les tours du World Trade Center se sont elles effondrées ?

Cette illustration nous montre les différents étages touchés par l'impact, les étages renforcés, les incendie majeur et les ruptures : 911nwo.info

Pour expliquer ceci nous avons faits plusieurs types d’expériences comme évaluer la force de l’impact d’un avion sur une tour et en expliquer les différents phénomènes, avec des petits boulets est des géomags, nous avons recréé le noyau central de la tour pour imager sa destruction et expliquer les causes qui l’on provoqué, puis nous avons calculé la force de l’impact d’une rafale de vent et celle de l’avion ce qui nous a permis de déterminer plusieurs cause qui ont permis à la tour de ne pas s’effondrer après l’impact mais nous avons aussi vus que la tour avait été prévus pour résister à l’impact d’un avion d’une vitesse faible qui cherche l’aéroport pour atterrir comme cela c’est passé sur l’empire state building. Nous avons utilisé plusieurs documents pour nous aider dans nos recherches telles que « quatre ans après le 11 septembre les causes de l’effondrement, Dimensions et agencement d’une tour et Plus loin, plus haut : l’architecture après le 11 septembre ».

 Les tours ce seraient telles effondrées avec une meilleur sécurité?

La destruction de la tour

Une fois qu'un étage s'est effondré tous les étages au-dessus ont commencé à tomber. L'énorme masse de la structure à pris de l'élan pendant la chute, écrasant les étages structurellement intacte ci-dessous, entraînant une défaillance catastrophique de la structure entière : ussartf.org

Si les ingénieurs avaient augmentés le coefficient de sécurité et équiper de systèmes d’incendie plus performants la tour ne ce serait peut-être pas effondrée ou beaucoup moins rapidement et la propagation du feu aurait été plus lente, ce qui aurai permis aux personnes à l’intérieur de s’enfuir.

Modeling the World Trade Center

L’impact sur l’environnement

Les enquêteurs qui ont contrôlé la qualité de l’air au World Trade Center, après les attentats du 11 Septembre, ont trouvé des niveaux extrêmement élevés de composés organiques volatiles ainsi que des produits inhabituels qui n’avaient jamais été vus auparavant dans ce type d’incendie. Les données collectées par l’US Environnemental Protection Agency (EPA) mettent en valeur de fortes pointes dans les niveaux de benzène, de styrène et de plusieurs autres produits de combustion. Ces pics ont eu lieu à des dates précises en octobre et novembre 2001 et février 2002.

Les 1,6 millions de tonnes de débris du World Trade Center fumèrent pendant 99 jours et plus de 8 mois furent nécessaires pour assurer le nettoyage du site, opération conduite par environ 40 000 personnes, Les débris furent enfouis dans une partie spéciale du Fresh Kills Landfill, le plus gros site d’enfouissement de déchets de New York, situé sur Staten Island. La dernière pièce de métal a été recyclée comme arc de structure du nouveau bateau d’assaut USS New York Les 181 400 tonnes d’acier retrouvées ont été vendues pour 120 $ la tonne à des fonderies en Chine, en Inde et en Corée du Sud, afin d’être recyclées en pièces détachées automobiles, en médailles, etc.

Étude du World Trade Center (WTC)

Situation :

les Tours jumelles de tomcomm.jimdo.com

Le WTC était composé de sept immeubles où se déroulait des affaires commerciales, le 11 septembre 2001 un attentat suicide a eu lieu sur la Tour Nord et la Tour Sud du WTC. Le 1ère impact a eu lieu au 93ème étages de la Tour Nord qui à pu résister aux dégâts pendant 102 minutes et a fait 1360 victimes, le 2nd impact à eu lieu au 78ème étages de la Tour Sud qui à tenu 56 minutes et a fait 595 victimes, 15 000 personnes ont pu s’enfuir de ces bâtiments.

Étude :

_Structure porteuse

_Impact

_Tenue au feu

_Effondrement

_Impact sur l’environnement

_Synthèse

Structure porteuse (Composition et choix des matériaux) :

_Quels sont les solutions retenues pour la construction des Tours?

Schéma d'une Tour sur fr.wikipédia

La structure est formé de poteaux, de poutres installées en treillis, et de planchers. Elle est composé d’acier et de béton, les planchers et les poutres subissent une flexion, et les poteaux subissent une compression. Le béton est utilisé car il résiste bien aux compressions et l’acier lui résiste bien aux flexions.

Impact :

l'impact des avions de forum.reopen911.info

 _ Impact comparable a une forte rafale de vent?

_ Pourquoi les Tours ont résisté?

Calcul de l’énergie de l’impact sur la Tour Sud (Tour 2) ==> E = 1/2mV²

Avion B767 de 140 tonnes à 800 km/h environ

E = 1/2mV² = 1/2 140.10^3. (800/3,6)² =3,5.10^9 KJ = 3,5 GJ

comparaison avec une tonne de TNT = 4,6 GJ.

Comparaison avec une rafale de vent pendant une seconde

E = ½ mV^2
m = masse du volume d’air de la rafale de vent = 1100 t
V = Vitesse du vent (hypothèse) = 130 km/h

d = Distance parcourue par le vent en 1 seconde = environ 28 mètres

E= ½ .924.10^3 . 30²

= 740 MJ

Conclusion : L’impact d’un avion le 11 sept 2001 était comparable (en partie) à une très forte rafale de vent pendant 1 s pour un vent à 200 km/h.

La structure des Tours étaient conçue pour résister aux vents fort : effort horizontal qui fait fléchir la tour (déformation élastique). Elles pouvaient résister à un l’impact d’un avion a basse vitesse et/ou en fin de course.

L’énergie cinétique de l’avion est transféré à la tour, il y a une déformation élastique de la structure, résiste au dégâts causés sur la structure porteuse grâce aux transferts de charges qui a été possible grâce aux liaisons entre les poteaux.

Les poteaux ont puent résister grâce au fort coefficient de sécurité (principe de la redondance)

Tenue au feu :

le WTC en feu de andrebio.com

Le feu a été causé par le kérosène que transportait l’avion, les systèmes Sprinklers étaient inopérant, les tuyaux ont été sectionnés à l’impact. Les murs étaient composés d’isolant thermique comme l’amiante et le béton, et aussi de plâtre, mais cela n’a fait que ralentir le feu. A oartir de 500°C l’acier subit une déformation plastique à cause du poids, il y a donc une flexion des planchers, ce qui a entrainé une déformation des poteaux extérieurs, cisaillement des boulons, flambage des autres poteaux, la structure devient instable.

Effondrement :

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, la chute d’un étage a entrainé celle de tous les autres.
Cette énergie s’est transformée en énergie cinétique et a permis la déformation des matériaux, la destruction des tours, et s’est transformée au final en chaleur.

L'effondrement du WTC de forum.reopen911.info

Impact sur l’environnement :

L’effondrement des Tours a causé 300 000 tonnes de déchets, de poussières et de fumée, des produits toxique tel que l’amiante ont été libérés.

Le recyclage de plusieurs tonnes d’acier a été effectué en Asie, les déchets non recyclable quand à eux ont été envoyé à la décharge de New York.

Synthèse :

La cause de l’effondrement des Tours n’était donc pas dû à l’impact des avionscar la bonne conception de la structure la permis mais plutôt à l’incendie causé par leur impact, qui aurai affaiblit la structure. La bonne conception de la structure a permit à 98% des personnes d’évacuer. En revanche la tenue au feu, elle était insuffisante , tout comme les informations transmisent au secours, cela aurait pu éviter la mort de 300 pompiers.

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.

allocine.fr

Introduction

Pendant l’étude de cas du WTC (World Trade Center) nous avons travaille les problèmes que ce sont passé pendant le crash d’un avion et avant ce la. Les problèmes que nous avons travaille sont la vulnérabilité de la structure, l’évacuation, la résistance à un crash d’avion et le choix des matériaux pour résister à un incendie.

Le premier impact était au 93ºétage de la Tour Nord et le deuxième impact était au 78ºétage de la Tour Sud.

La Résistance

Les tours avait une très faible résistance de la structure à l’impact mais les tours ont tenu, le problème ce que les tours avait une mauvaise résistance à un effondrement localisés, ce qu’à cause l’effondrement des deux tours.

Dans cette video je vais vous montre les impacts sur les deux tours et l’effondrement.

Sources

On à trouvez toutes ces informations dans le document « Quatre ans après le 11 septembre, les causes de l’effondrement » et dans quelques site et vidéo.

Pendant les cours on à aussi fait une comparaison d’une rafale de vent avec l’impact d’avion et pour ce la on à utilise la formule :

E=1/2.M.V²

E= énergie en Joules (J)

M = Masse en Kilogramme (kg)

V = Vitesse en mètre par seconde (m/s)

L’impact des avions sont comparables en partie à une très forte rafale de vent.

La structure était conçue pour résister à des très fortes vents et aussi pour résister à un impact d’un avion mais à baisse vitesse.

La Structure Porteuse

On à aussi travailler sur la structure porteuse :

Les verticaux : les poteaux en béton (armé), les murs porteurs en béton.

Les horizontaux : les planches (dalle en béton), les poutres en béton.

Les verticaux supporte les étages supérieurs et transmet la charge aux poteaux inférieurs (celui au réez-du-chausse sont ce que supporte tout le poids donc ils sont plus armée).

Les horizontaux transférer les charges aux poteaux inférieurs.

Bonne résistance des poteaux surcharges grâce à un fort coefficient de sécurité. (Principe du sur dimensionnement et principe de la redondance).

Avec cette étude de la structure nous avons analyse une manière que pouvez faire la structure résister plus à l’impact de l’avion que cette mettre plus de poteaux et faire le bâtiment moins haute.

Pour résister plus à l’incendie on à analyse que les ingénieurs qu’ont créent cette structure devez mettre plus de béton parce que ça résiste plus à la chaleur que l’acier et de mettre moins d’amiante parce que ce toxique.

Source: forum.reopen911.info/viewtopic.php?pid=264649

L’impact sur l’environnement

La quantite de CO2 et de fumées est négligeable. Les produits toxique par exemple l’amiante à cause nombreuses maladies.

L’effondrement à cause aussi 300 000 tonnes de déchets, poussiéres et fumées.

Beaucoup de tonnes d’acier on était vendu à Asie car l’acier est recyclable.

Solutions

Limiter la propagation du feu avec les portes coupe-feu.

Tours moins hautes.

Changer les matériaux (moins d’acier, plus de béton).

Meilleure gestion des informations (à partir des capteurs de feu).

Évolution des normes de construction plus axées sur la sécurité.

Alimentation en eau doublée de système d’extinction d’incendie.

Conclusion 

La bonne conception de la structure porteuse à permis qu’elle résiste à l’impact de l’avion et à permis l’évacuation de 98 % des personnes.

La mauvaise tenue au feu de la structure  a causé l’effondrement.

Le manque d’informations disponibles pour les pompiers à provoque une mauvaise situation.

Mais à cause une amélioration de la sécurité et de nouvelles tecnologies et à cause de ça l’impact sur l’environnement à augmente.