Les théories fumeuses du 11 Septembre : les tours jumelles du World Trade Center (1/10) – La structure

Après la longue série sur le Pentagone de l’année dernière, nous nous intéressons aujourd’hui au plus gros des attentats du 11 Septembre : l’effondrement des tours jumelles du World Trade Center, et ses 2 700, dont 400 pompiers et policiers, afin de vous donner des éléments solides sur ce sujet – qui fait hélas l’objet de beaucoup de fantasmes. Mais cela illustre aussi certains biais méthodologiques de la pensée scientifique. Vous pourrez ainsi vous faire une meilleure opinion sur la question.

Plan de la série « Les Tours Jumelles du World Trade Center » :

• I. La structure des tours jumelles
• II. Les crashs et les dégâts immédiats
• III. Les incendies
• IV. La fragilisation
• V. Les écroulements
• VI. Les fadaises 1 (chute libre, démolition contrôlée)
• VII. Les fadaises 2 (les architectes)
• VIII. Les fadaises 3 (thermite)
• IX. Les rapports d’enquêtes scientifiques
• X En synthèse : que retenir ?

(le WTC 7 viendra plus tard)

Depuis l’effondrement du pont de Tacoma en 1940 (Lire ici), nous n’avions probablement pas vu de telles images d’effondrement mettant en cause un bâtiment ou une structure de génie civil :

Si nous vous parlons de cela, c’est surtout pour vous montrer que, même après de longues études, par leurs particularités géométriques et structurelles, les ouvrages peuvent avoir des comportements totalement inattendus. (soulignons également que, sans les images, certains nous expliqueraient sans doute qu’un vent d’à peine 70 km/h n’avait pu entraîner ceci, et que le pont avait certainement été dynamité)

Mais revenons à l’effondrement des tours du World Trade Center, et commençons donc à analyser leur structure pour le comprendre…

I. La structure des tours jumelles

Le World Trade Center Plaza et la position des tours

Les célèbres tours du World Trade Center (WTC) ont été conçues à la fin des années 60, terminées en 1970 pour la tour Nord (WTC1) et 1972 pour la tour Sud (WTC2), l’inauguration officielle eut lieu en 1973. La tour WTC1 faisait 417 mètres de hauteur et la WTC2 415 ; c’était deux carrés d’approximativement 63 mètres de côté, pour une surface au sol de 4 000 m². Elles comportaient toutes les deux 110 étages, la tour Nord supportant en plus une antenne haute de 110 mètres environ. Chacune totalisait 400 000 m² environ.

Elles furent à leur inauguration les plus hautes tours du monde.

Pour atteindre cet objectif, ces tours ont innové dans plusieurs domaines. Il faut en particulier savoir qu’elles possédaient une ossature principalement faite d’acier.

En effet, la structure était constituée de poteaux (verticaux) et de poutres (horizontales) d’acier soutenant les dalles des planchers.

Particularité innovante, les poteaux n’étaient pas répartis classiquement sur toute la surface, afin de livrer de très grands open spaces sur chaque étage ; ils étaient répartis uniquement sur tout le périmètre du bord extérieur des étages et dans un cœur au centre des tours.

Ainsi, schématiquement, les tours n’étaient donc qu’un immense tube d’acier, renforcé par un second tube central.

Les open-spaces du WTC

Les tours comprenaient ainsi 4 sous-systèmes structurels : les murs extérieurs, le coeur, le système de planchers d’étage et le chapeau tendeur tout en haut.

Le premier, le sous-système structurel extérieur, était donc un tube carré vertical composé de 236 colonnes étroites, 59 sur chaque face du 10e au 107 étage (il y avait des colonnes bien plus larges en dessous), placées à un mètre l’une de l’autre. Cette façade porteuse, aussi appelée tube percé, a été construit par assemblage de modules préfabriqués (de 3 colonnes sur 3 étages), et supportait environ 40 % de la charge verticale totale. La façade proprement dite était composée de verre, d’aluminium et recouverte d’un revêtement ignifuge, c’est-à-dire un mélange de ciment et de fibre de verre qui isole des incendies.

Le deuxième sous-système était la structure centrale, aussi appelée le cœur de l’édifice ou noyau de service, zone rectangulaire de 27 mètres sur 41, et comprenant 47 colonnes d’acier allant de la base jusqu’au sommet de la tour. Elles étaient reliées entre elles par des poutres en acier, et confinées derrière des panneaux de gypse, à savoir de plâtre. Elle abritait le noyau du bâtiment qui occupait 1200 m² où se trouvaient les cages d’escaliers et les ascenseurs. Cette structure supportait 60 % de la charge verticale, dont celle du lourd système d’ascenseurs.

Le cœur à gauche, et un élément de la façade porteuse en face

Les colonnes du WTC

Structure interne du bâtiment

Notons que les cages d’escalier du cœur étaient mal conçues, car bien trop proches les unes des autres (moins de 10 mètres) – ce qui s’avérera fatal le 11 Septembre.

La façade était reliée aux planchers par un système d’amortisseur qui réduisait l’inconfort dû à l’oscillation naturelle du bâtiment. Elle était donc reliée au cœur grâce aux planchers. Les planchers des tours jumelles étaient complexes et extrêmement légers et performants (avec un poids propre de 50 kg au m² pour une charge d’exploitation de 500 kg) et construits selon une structure en treillis, soit un assemblage de poutres verticales, horizontales et diagonales formant des triangles, et qui permettait de diminuer le rapport poids/rigidité de la structure. Ici placée à l’horizontale, la structure soutenait des plaques métalliques sur lesquelles était coulée une dalle de compression en béton armé de 10 cm d’épaisseur (il faut aussi noter que le bâtiment a été construit avec du béton allégé pour permettre de l’élever aussi haut : le béton était ainsi entre 1.5 et 2 fois moins résistant qu’un béton standard utilisé dans la construction). Soulignons aussi que les attaches des poutres-treillis sur les poteaux étaient plutôt faibles, étant entendu que le rôle mécanique de ces poutres n’était que de transmettre les charges d’un étage vers ces poteaux, chaque colonne acheminant ensuite ces charges jusqu’aux fondations. Ces poutres avaient bien sûr également un rôle stabilisateur pour les poteaux en permettant de bien les maintenir en position latéralement.

Une poutre rejoignant le tube et le cœur

 

Le quatrième sous-système structurel était la charpente appelée « chapeau tendeur » (hat truss), qui a sans doute empêché l’effondrement immédiat des tours le 11 Septembre, sauvant des milliers de vies. En effet, sans y être réellement contraints, les ingénieurs avaient apporté une subtile amélioration à la structure en ajoutant une sorte de charpente au sommet de chaque tour qui apportait un réseau de liaisons en diagonale entre les poteaux du noyau central et la structure externe de type « tube percé ». Cela a permis d’ancrer et répartir les charges de l’antenne (110 mètres de hauteur) de la tour Nord, antenne prévue dès l’origine, mais réalisée plusieurs années après l’inauguration du complexe. Les ingénieurs justifient également la présence de ces charpentes par une amélioration sensible apportée à la résistance au vent, en sollicitant les poteaux du noyau.

Observez ces photos :

Notez sur les deux images précédentes le cœur en transparence, en particulier sur la tour de droite. On le voit mieux sur celle-ci grâce au coucher de soleil :

Voici enfin des images de la construction du WTC, afin de bien en percevoir la structure interne :

Les fondations et premiers étages

Le cœur

Les 4 grosses colonnes d’angle du cœur

Voici des vidéos de la construction :

 

Vue impressionnante en haut de l’antenne de la Tour WTC1

En conclusion, il faut bien se rendre compte de l’originalité architectuale des 2 tours.

Premièrement, il n’y a aucune structure porteuse en béton, ce qui rend l’ensemble fragile selon les situations.

Deuxièmement, l’immeuble est « évidé » pour gagner de la place de bureaux.

 

Ceci est très différent des autres gratte-ciel en structure en acier. Par exemple l’Empire State Building est construit ainsi :

On voit que c’est une foret de piliers ; la structure porteuse est composée de nombreuses colonnes et grappes de colonnes étroitement espacées. Regardez les colonnes en noir ici :

L’Empire State Building

Le World Trade Center (comparez la disposition des colonnes en rouge et celles en façade, avec celles en noir sur le schéma précédent)

Il en résulte un châssis exceptionnellement robuste et redondant, c’est-à-dire qu’il y a de nombreux chemins alternatifs pour la transmission des charges du bâtiment au sol. Si le cadre est endommagé à un moment donné, il existe d’autres possibilités pour supporter les charges statiques et les charges dynamiques.

De nombreux ingénieurs estiment que l’Empire State Building est plusieurs fois plus solide que l’ancien WTC. Peu de gens doutent que l’Empire State Building aurait résisté au désastre qui a fait s’effondrer les tours du WTC.

L’inconvénient de ce type de construction est qu’avec toutes ces colonnes, la disposition des bureaux doit se faire autour de la grille formée par les colonnes. Le WTC a été conçu pour avoir un plan d’étage aussi ouvert que possible, de sorte que chaque tour avait des planchers légers soutenus à l’intérieur par un noyau central et à l’extérieur par un tube de colonnes carrées étroitement espacées. Il n’ y avait pas de colonnes intermédiaires.

L’Empire State Building

Le World Trade Center

Techniquement, les tours du WTC étaient en quelque sorte des structures murales porteuses. Il en résulte une disposition très souple, mais malheureusement concentrée de la structure porteuse au niveau du cœur et du périmètre extérieur des tours, ce qui les rend très vulnérables à l’effondrement progressif. (Source)

Le 11 Septembre va mettre fin à cette prouesse architecturale – hélas bien fragile – comme nous le verrons dans le prochain billet…

Olivier Berruyer

P.S. : certains m’ayant posé la question, cette étude date d’août 2016. Elle devait sortir le 11/09/2016, mais je n’ai pu le faire, vu les attaques que nous subissions et qui m’ont mobilisé.

N.B. : les séries sur le 11 Septembre sont évidemment lourdes à modérer. Comme vous le voyez dans le plan au début du billet, ce billet s’insère dans une longue série. Inutile donc de laisser un commentaire traitant d’un point qui sera clairement traité dans un billet à venir, il sera supprimé. (Edit : commentaires fermés)