Les effets du feu

par Pierre Carlotti - SPS n° 296, hors-série 11 septembre, juin 2011

Tous les bâtiments sont conçus, construits et utilisés avec une chaîne d’acteurs complexe, qui part du financeur (le maître de l’ouvrage), qui passe par l’architecte, les bureaux d’études techniques, les entreprises, jusqu’à l’exploitant du bâtiment, sans compter de nombreuses interventions complémentaires d’experts et de juristes. Cette chaîne d’acteurs est d’autant plus complexe dans le cas d’un bâtiment exceptionnel comme l’étaient les tours jumelles du World Trade Center.

Le processus de conception, de façon très simplifiée, commence par la réalisation, par le maître de l’ouvrage (futur propriétaire ou promoteur), d’un programme par lequel il exprime ses besoins, qui sont de plusieurs ordres : la localisation, l’enveloppe financière, la répartition des surfaces construites par type d’usage (bureaux, boutiques, espaces de prestige, présence d’une antenne de grande importance sur le toit, etc.), la réglementation technique applicable et éventuellement des exigences de sécurité complémentaires (le maître de l’ouvrage a en particulier demandé de vérifier la tenue d’une tour en cas de choc avec un Boeing 707 à pleine vitesse, voir ci-dessous pour cet aspect particulier) et, éventuellement, la volonté de faire une réalisation de prestige : dans le cas du World Trade Center, il s’agissait de faire deux tours identiques qui seraient les plus hauts bâtiments du monde à la date de leur construction.

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Le West Pier à Brighton (Royaume Uni), construit en 1866, et détruit par un incendie.

Déterminer les solutions techniques pour le bâtiment

Sur cette base, les architectes et les bureaux d’études travaillent pour dimensionner le bâtiment concerné, ce qui, dans le cas d’un bâtiment de très grande hauteur, passe par la validation de la faisabilité dans le respect de l’enveloppe financière.

Dans ce cadre, les équipes qui ont travaillé sur la structure du bâtiment ont défini les charges que devaient connaître le bâtiment, notamment le poids que chaque plancher doit porter, mais aussi les effets du vent, qui sont loin d’être négligeables pour un immeuble de 400 m de haut, ou encore le choix de scénarios d’incendie (puissance mais aussi durée et étendue). Elles ont également déterminé les solutions techniques permettant de concevoir un immeuble répondant au programme du maître de l’ouvrage (notamment la surface de bureaux qui peut être réalisée à chaque étage) et à ces charges.

Dans le cadre de ce processus de conception, les bureaux d’études techniques chargés des tours du World Trade Center ont très vite réalisé que seule une solution innovante était possible, basée sur un usage de l’acier pour la structure, mais aussi sur la mise en place concomitante de trois éléments-clés : un noyau central en acier, des voiles extérieurs constitués d’un treillis d’acier particulièrement soigné, et un liaisonnement entre ces deux premiers éléments par un plancher collaborant de grande portée. Cela était très innovant, car les solutions classiques consistent à réaliser, soit un noyau central porteur, soit des voiles extérieurs porteurs, mais rarement les deux.

Pour simplifier, on peut retenir, dans le cas des tours jumelles, que le noyau central reprenait le poids du bâtiment, alors que les voiles de façade fonctionnaient comme une poutre creuse en flexion pour reprendre les effets du vent, le rôle des planchers étant de faire travailler ensemble ces deux éléments verticaux.

De plus, il était prévu au départ de pouvoir mettre en place une très grande antenne sur le toit de chacune des deux tours (en fait, seule la tour WTC1 a reçu une antenne). Cela avait conduit les bureaux d’études techniques à mettre en place au sommet de chaque tour une structure en treillis métallique extrêmement dense, qui permettait de répartir correctement les efforts sur la totalité de la surface du bâtiment (alors que l’antenne ellemême était à l’origine d’un effort concentré à sa base).

Enfin, on peut mentionner que l’étude de vérification de la tenue d’une des tours à un choc de Boeing 707 consistait en une courte note de trois pages qui ne répondait pas correctement à la question : sur le plan de la dynamique de l’impact, c’était sans doute ce que l’on pouvait faire de mieux sur le sujet dans les années 1960, les méthodes de dynamique rapide nécessaires n’ayant été mises au point qu’à partir des années 1990. Pour le reste, elle n’analysait pas la multiplicité des modes de ruine possibles suite au choc (il n’y avait pas de scénario incendie à la suite de ce scénario de choc).

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Après l’incendie lors de l’exposition universelle de Bruxelles en 1910

Comment se comporte l’acier lors d’un incendie ?

L’acier est un matériau qui a d’excellentes caractéristiques pour construire un bâtiment : d’une part, il admet des charges importantes, et, d’autre part, il se déforme peu sous ces charges importantes. Enfin, il n’est pas cassant (pour employer des termes techniques, sa contrainte ultime, son module d’Young à froid et sa ductilité sont particulièrement élevés). Cela a permis de construire des structures extrêmement élancées, qui pèsent relativement peu sur leurs fondations (le fait de pouvoir limiter les travaux de géotechnique liés aux fondations des immeubles de grande hauteur permet de limiter les coûts de cette étape des travaux).

Cependant, l’acier, comme le fer, présente un défaut majeur : il perd ses performances mécaniques lorsque la température monte. À température élevée (la température dépend des aciers, disons 600°C pour fixer les idées), l’acier devient graduellement moins résistant. Ce n’est pas qu’il devienne liquide, c’est tout simplement que les sections les plus sollicitées deviennent « molles » et que l’élément de structure considéré se déforme alors considérablement. Cette caractéristique a conduit à des catastrophes dès l’origine des constructions métalliques.

Des incendies comme ceux du Crystal Palace (voir encadré) ont été très nombreux dès la deuxième moitié du XIXe siècle. C’est pourquoi, très vite, il est apparu nécessaire de prendre en compte le risque d’incendie dans la conception des bâtiments en acier. Pour ce faire, la solution la plus couramment employée est de protéger l’acier.

Si, pour des raisons architecturales ou économiques, la structure en acier doit rester visible, on emploiera alors des peintures intumescentes. Sinon, on peut employer des plaques de plâtre ou des produits projetés (les fameux « flocages »).

L’incendie du Crystal Palace
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Le Crystal Palace en 1851

Un exemple emblématique de ce défaut de l’acier est le Crystal Palace : construit par Joseph Paxton pour l’Exposition Universelle de Londres en 1851, bâtiment majestueux de près de 100 000 m2, long de plus de 500 m et avec une hauteur de nef de 39 m. Sa construction était un tel défi qu’il a même fallu faire venir des ouvriers verriers supplémentaires de France, la production de verre du Royaume-Uni n’y suffisant pas ! Ce bâtiment prestigieux sera ensuite déménagé de Hyde Park vers la banlieue nord de Londres en 1854.

Il connaîtra deux incendies : en 1866, une aile sera totalement détruite. Dans la nuit du 30 novembre 1936, un petit incendie dégénère très vite, et le bâtiment sera entièrement détruit en une heure.

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Les ruines du Crystal Palace en 1936

Parmi les 100 000 Londoniens qui sont allés voir le feu des quartiers environnants, Winston Churchill déclara que « cet incendie marque la fin d’une époque », celle de l’Angleterre impériale et triomphante de la reine Victoria.

Dans les années 1960, en France, une nouvelle génération de bâtiments à structure métallique est apparue : ceux que l’on appelle les « Paillerons » à la suite de l’incendie catastrophique du collège Edouard Pailleron le 6 février 1973, qui fit 20 victimes dont 16 enfants. Le drame a été longuement analysé, et il est difficile de résumer en quelques lignes les conclusions des investigations menées à l’époque. On peut retenir, pour simplifier, que dans le procédé constructif du collège Pailleron, la structure acier était certes protégée contre un feu extérieur, mais, à certains endroits, elle n’était protégée que par un matériau lui-même peu inflammable mais combustible. Si, du fait d’une agression thermique forte, le matériau de protection s’enflammait du côté de la structure métallique, alors il pouvait développer un incendie qui conduise à la ruine de la structure !

À part ce cas, aujourd’hui jugé aberrant (protéger du feu une structure que l’on sait faible sur ce point par un matériau combustible), les techniques de protection étaient, dès les années 1960, relativement au point : les bâtiments pour lesquels les matériaux de protection sont bien mis en place ne sont pas détruits par des incendies, même d’une ampleur importante.

Qu’était-il prévu pour les tours du World Trade Center ?

Dans le cas des tours jumelles du World Trade Center, les bureaux d’études techniques ont mis en place des plaques de plâtre pour les poteaux et des produits projetés pour les planchers. Leurs épaisseurs ont été choisies en fonction de scénarios de feu jugés réalistes à l’époque. Le 13 février 1975, un incendie important s’est déclaré au 11e étage de la tour WTC1, avec embrasement généralisé (« flash-over ») dans une salle d’archives, rupture de 7 fenêtres et propagation sur environ un quart de l’étage, et, verticalement, par les gaines des circuits téléphoniques du 9e au 19e étage. Le feu est heureusement resté circonscrit à cette zone. On peut donc conclure de ce feu que les protections thermiques ont rempli leur fonction.

À la suite de cet incendie, des systèmes fixes de lutte contre le feu de type Sprinkler (c’est-à-dire des têtes d’aspersion d’eau qui se déclenchent au dessus d’une température donnée) ont été installés, afin de limiter la puissance des incendies. Ces systèmes ne seront d’aucun usage le 11 septembre 2001 car les tuyauteries d’alimentation des têtes d’aspersion auront été détruites par les impacts des avions.

Lorsque, ce jour-là, les deux tours sont successivement impactées par les avions, beaucoup plus lourds que des Boeing 707, il est certain que les bâtiments n’ont jamais été dimensionnés pour un tel choc. Cependant, ils ont su redistribuer les charges de manière remarquable et résister à ces impacts. Cela était dû à plusieurs éléments qui ont joué un rôle positif : le dimensionnement au vent des tours, qui avait conduit à une bonne capacité à reprendre les efforts latéraux bien répartis, la conception par un noyau central lié aux voiles de façade par des planchers collaborant et la structure en treillis conçue pour reprendre les efforts liés aux antennes. Cela a permis à l’évacuation de commencer et a ainsi limité le nombre des victimes : la commission d’enquête a constaté qu’au moment de la chute des tours, la très grande majorité des personnes situées en dessous des impacts des avions, et donc dans les endroits où il existait encore des issues de secours, avaient effectivement été évacuées.

Cependant, lors des chocs, les débris des avions ont arraché les protections au feu de beaucoup de colonnes et de planchers aux étages des impacts, tout en pulvérisant du kérosène enflammé et alimentant les foyers en oxygène par la rupture des fenêtres. La dynamique du feu a ensuite été complexe, les foyers intenses se déplaçant dans les étages touchés par les impacts en fonction de la répartition des masses combustibles (le kérosène, bien sûr, mais aussi le mobilier, les documents, etc.). À ce stade, la seule question était de savoir si le feu cesserait faute de combustible avant la chute des tours.

Malheureusement, la structure avait déjà été fortement endommagée par l’impact : de nombreuses colonnes étant détruites, celles restantes avaient peu de capacité portante résiduelle. Il a donc suffi que quelques colonnes soient chauffées au-delà de 600 °C environ pour que les charges dans d’autres colonnes dépassent les valeurs admissibles pour l’acier, et que se déclenche un effondrement en chaîne par impossibilité aux charges de se répartir sur les éléments restants1.

La reconstitution de l’accident et les simulations numériques

Les tours jumelles étaient des structures complexes, et lors de l’effondrement, les témoins directs avaient sans doute déjà péri dans l’impact ou dans les incendies qui ont suivi. L’enquête a donc été extrêmement difficile. La partie relative aux techniques du bâtiment a été coordonnée par le Laboratoire de Recherches Bâtiment et Feu de l’Institut National de Normalisation Américain (NIST/BFRL). Pour les besoins de cette enquête, de nombreux débris des bâtiments ont été analysés, des essais de résistance à l’impact des protections incendie des structures ont été pratiqués, et une série de logiciels ont été utilisés, permettant de simuler la dynamique rapide (mécanique des solides) de l’impact, la dynamique du feu et l’effet du feu sur la structure. Ces études ont été menées avec un soin remarquable, et ont permis de reconstituer l’essentiel des événements du 11 septembre 2001.

Les études ont aussi permis des analyses de sensibilité, qui toutes ont montré les performances exceptionnelles des tours jumelles. En particulier :

  • un impact d’avion qui n’aurait pas été suivi d’un incendie n’aurait pas conduit à l’effondrement des tours,
  • un incendie comparable sans impact d’avion (et donc sans arrachement des protections au feu) n’aurait pas conduit à l’effondrement des tours,
  • un impact d’avion avec incendie mais sans arrachement des protections au feu n’aurait pas conduit, non plus, à la chute des tours,
  • un incendie comparable sans impact d’avion mais avec arrachement des protections aurait conduit à un effondrement des tours dans certains scénarios.

Ces analyses montrent l’importance des protections au feu pour la résistance des bâtiments en acier soumis à un incendie. Elles mettent une fois de plus en évidence la conception extraordinaire de ces tours, qui ont malheureusement failli à cause de l’arrachement des éléments de protection, l’un des aspects les moins high-tech de leur conception.

Des explications scientifiques satisfaisantes

Les tours jumelles du World Trade Center étaient des bâtiments exceptionnels, emblématiques des réussites de l’Amérique des années 60. L’impact des avions gros porteurs suivi de l’arrachement des protections contre le feu de la structure acier, puis d’un incendie très important, ne faisaient pas du tout partie des scénarios de dimensionnement retenus par les bureaux d’études techniques lors de la conception.

Dès lors, il n’était pas étonnant que ce scénario conduise à la ruine des ouvrages. C’est ce qui a été confirmé par l’enquête technique confiée au NIST/BFRL.

Certains invoquent une « théorie du complot » selon laquelle les événements ne se seraient pas du tout passé comme cela, et qu’une équipe ayant une formation de type génie militaire aurait miné le bâtiment. Cette théorie repose sur beaucoup d’hypothèses plus ou moins vraisemblables, en particulier la concomitance du minage avec les impacts d’avions.

On se trouve donc ici dans un cas d’application classique du « rasoir d’Ockham », puisque nous disposons de deux théories. L’une qui n’utilise que des faits observés par de nombreux témoins (impact des avions, présence des incendies, etc.) et qui est vraisemblable au regard des lois de la physique et de la mécanique : la théorie exposée ci-dessus. L’autre qui appelle des arguments complexes, qui suppose l’existence d’un secret partagé entre un grand nombre de personnes, et surtout qui ne repose sur aucun besoin : il n’est nul besoin d’invoquer un minage, puisque les incendies déclenchés par les avions suffisent à générer la ruine des tours jumelles.

Entre ces deux théories, la meilleure est sans aucun doute celle qui utilise le moins d’hypothèses pour étayer son raisonnement !

Pour en savoir plus, la lecture des rapports émis par le NIST/BFRL est très pertinente : http://wtc.nist.gov/NCSTAR1/PDF/NCS...

1 NDLR : une analyse plus détaillée est proposée dans le chapitre dédié aux tours jumelles.

Mis en ligne le 22 octobre 2011
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