L’effondrement de la tour 7

par Joël Kruppa et Bin Zhao - SPS n° 296, hors-série 11 septembre, juin 2011

L’effondrement de la tour WTC 7 occupe une place privilégiée dans l’argumentation conspirationniste : elle n’a été touchée par aucun avion mais s’est néanmoins effondrée, après sept heures d’incendie. C’était le premier building dans l’histoire de la construction à connaître une telle ruine après le déclenchement d’un « simple » incendie. Les partisans de la théorie du complot trouvent cet élément très « troublant ».

La tour WTC 7

Les informations données ci-après sont essentiellement issues des rapports publiés par le NIST1 en 2008. La tour WTC 7 faisait partie du complexe du World Trade Center qui, outre les tours jumelles (WTC 1 et WTC 2), comprenait 5 autres bâtiments de plus faible hauteur. La construction de la WTC 7 a été terminée en 1987. Ce bâtiment de bureaux de 47 étages avait une hauteur d’environ 186 m et une section en plan trapézoïdale d’environ 75 m pour le petit côté (façade sud), 100 m pour le grand côté (façade nord), 45 m et 47 m pour les côtés Est et Ouest.

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La tour WTC 7 était située à 105 mètres de la tour WTC 1

La WTC 7 a été construite au-dessus d’un poste de transformation électrique existant, ce qui a conduit, aux 5e et 6e étages, à mettre en place des poutres pour transférer les efforts des étages supérieurs aux poteaux et fondations existants. La structure de la WTC 7 était en acier, avec des planchers en béton associés à des bacs acier collaborants2. Elle était composée de 57 poteaux périphériques (en façade) et 24 poteaux internes formant un noyau central.

Afin de répondre aux exigences en vigueur du New York City Building Code, les éléments de structure avaient reçu une protection thermique afin d’assurer une résistance au feu, par rapport à l’incendie conventionnel de référence, de 3 heures pour les poteaux et de 2 heures pour les poutres et planchers. En partie haute de l’immeuble, il y avait également deux locaux (East and West penthouse) construits sur le toit. La tour WTC 7 s’est effondrée sur elle-même à 17 h 20 min 52 s, 6 h 52 min après avoir été touchée par les débris de la tour WTC 1.

Comment la tour WTC 7 a-t-elle été atteinte ?

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La tour WTC 7, couleur rougeâtre, à gauche derrière les tours jumelles

La tour était située à 215 m de la WTC 2 et à 105 m de la WTC 1. Seuls les débris issus de la WTC 1 (qui pouvaient être très importants), lorsqu’elle s’est effondrée à 10h 28min 22s, ont touché la WTC 7. C’est l’analyse de milliers de photos et de vidéos qui a permis d’estimer les dommages causés à la WTC 7 par la chute de ces débris, même si la quantité de photos et vidéos disponibles concernant spécifiquement la WTC7 a été moins importante que pour les WTC 1 et 2. La qualité des photos/vidéos disponibles, ainsi que la présence de fumées et poussières, n’ont pas permis une estimation complète des désordres.

Cette étude minutieuse a néanmoins permis de localiser des zones du bâtiment où des incendies se sont développés et de suivre leur évolution depuis les impacts des débris de la WTC 1 jusqu’à l’effondrement.

Il a ainsi été constaté qu’il y a eu des incendies aux étages 19, 22, 29 et 30, mais ils étaient éteints au moins 3 heures avant l’effondrement de la WTC 7. En revanche, aux environs de 16h-17h, des incendies ont été observés aux étages 7, 8, 9, 11, 12, 13 et 14 (non occupés).

Il a aussi pu être déterminé l’état des vitrages (en place ou brisés) des différentes fenêtres, ce qui est primordial pour déterminer l’apport d’air frais qui contribue au développement et à la propagation des incendies.

Comment a été reconstitué le déroulement des incendies ?

L’estimation des températures a été faite avec le logiciel de mécanique des fluides « FDS » développé par le NIST et utilisé également pour la reconstitution des incendies dans les tours WTC 1 et WTC 2. La nature des locaux est bien entendu primordiale pour l’étude de la propagation des incendies. Il a également été constaté qu’il n’y avait pas d’ouvertures permanentes entre ces étages, ce qui a conduit à pouvoir faire une évaluation du développement des incendies dans chaque étage indépendamment des autres (ce qui n’avait pas été le cas pour les WTC 1 et 2).

Une estimation de la nature des cloisons et plafonds suspendus, ainsi que des matériaux combustibles, a été effectuée d’après les témoignages et informations transmises au NIST.

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L’élévation de température de chaque élément de structure est évaluée.

Pour les simulations du développement des incendies à différents étages, il a été considéré que le feu prenait naissance du côté sud du bâtiment avec une puissance initiale de 2 MW, ce qui représente la combustion d’un poste de travail, puis qu’il se propageait en fonction des différents matériaux combustibles présents et de la disparition des vitrages ainsi que constaté visuellement. Pour le 8e étage, il a été nécessaire de considérer un autre démarrage de feu pour retrouver une propagation de l’incendie du côté nord, entre 15h et 16h 40, conforme à la situation constatée. Toutes les simulations ont été effectuées pour une durée de 6 heures d’incendie. Afin de coller au mieux aux constatations faites à partir des photos et vidéos, des études de sensibilité ont été effectuées ; par exemple, en faisant varier la densité de matériau combustible de 20 kg/m2 à 40 kg/m2 pour l’étage 8 ou en augmentant les propriétés des plaques du plafond suspendu de l’étage 12.

Il a ensuite été possible, à partir de l’estimation du champ de température dans les différents étages concernés, de calculer l’échauffement des éléments de structure (principalement poteaux et poutres) ainsi que celui des planchers en prenant en compte la protection thermique qui leur avait été appliquée.

Cet échauffement a été obtenu en se basant sur une procédure de couplage entre les codes FDS et ANSYS (calculs thermiques par éléments finis). En raison des incertitudes sur les différents paramètres ayant une influence sur l’échauffement de ces éléments de structure, une variante supplémentaire (cas B), en considérant un accroissement de 10 % des températures ambiantes calculées avec FDS, a également été prise en compte.

Les causes de l’effondrement

296_42-49_4Pour comprendre le mécanisme de ruine de cette tour, il est indispensable de connaître la conception de la trame de sa structure.

Comme il a déjà été indiqué, la structure courante est constituée d’une forêt de poteaux en façade et d’un groupe de poteaux intérieurs dans le noyau central du bâtiment, supportant un plancher constitué de dalles mixtes, solives3 et poutres principales. Les solives du plancher ont été rendues mixtes avec la dalle à l’aide de goujons à tête soudés. En revanche, les poutres principales n’ont aucune liaison mécanique avec la dalle au-dessus. Par ailleurs, dans les parties Est (entre les poteaux 45, 79, 80 et 81) et Ouest du plancher, la tenue latérale des poutres principales en acier n’est assurée par des solives que d’un côté.

L’effet de l’échauffement de la structure de la WTC 7 en termes de comportement structural a été simulé à l’aide d’un modèle numérique réalisé sous code de calcul ANSYS. Ce modèle comprend les 16 premiers étages du bâtiment. Plus précisément, seule la partie de structure entre le plancher du 8e étage et du 14e étage a été modélisée de manière détaillée afin de ne pas augmenter inutilement les temps de calcul numériques. Le reste de la structure du bâtiment a pu être modélisé avec des éléments présentant un niveau de détail plus faible (super-éléments) tout en reflétant l’influence de leur rigidité sur le comportement mécanique des étages sévèrement touchés par l’incendie.

À partir de cette analyse numérique, le NIST a conclu que les planchers entre les niveaux 7 et 14 ont subi des endommagements importants après quatre heures d’incendie à cause :
- de la rupture de nombreux assemblages due à l’empêchement de dilatation thermique des solives et des poutres,
- du déversement latéral des solives aux niveaux 12 à 14 par perte de maintien latéral, suite à la rupture des connecteurs sous l’effet de dilatation thermique différentielle entre poutrelle métallique et dalle en béton armé,
- de la ruine des poutres principales aux niveaux 12 à 14, suite à leur déversement latéral par perte de maintien latéral ou par perte de leurs supports verticaux avec la rupture des boulons/soudures,
- de la perte des maintiens latéraux des poteaux intérieurs 79, 80 et 81, suite à la ruine des poutres principales dans la partie Est du bâtiment,
- de l’écrasement du béton ainsi que la raideur de la dalle, en particulier dans la partie du plancher soumise directement aux flammes.

Il faut noter que le code de calcul ANSYS, basé sur une approche classique de la méthode des éléments finis, ne permet pas d’arriver jusqu’à un état très avancé de ruine du bâtiment. Ainsi, une autre approche numérique fondée sur la méthode de la dynamique explicite a été employée afin d’analyser l’effondrement global du bâtiment. Pour avoir une démarche rigoureuse sur le mode de ruine de la WTC 7, il a été mené dans cette analyse une étude de sensibilité consistant à identifier les mécanismes d’effondrement possibles de la tour sous les quatre scénarios suivants :
- premier scénario : dégâts causés par l’impact des débris de la WTC 1 et endommagement de différents niveaux de plancher induit par les incendies après 4 heures d’exposition au feu du cas B ;
- deuxième scénario : dégâts causés par l’impact des débris de la WTC 1 et endommagement de différents niveaux de plancher induit par les incendies après seulement 3 heures et demi d’exposition au feu du cas B ;
- troisième scénario : prise en compte uniquement de l’endommagement de différents niveaux de plancher induit par les incendies après 4 heures d’exposition au feu du cas B ;
- quatrième scénario : aucun désordre lié à l’impact des débris ou à l’échauffement mais seulement avec le poteau intérieur 79 sectionné entre les étages 11 et 13.

La reconstitution de l’effondrement

Dans le modèle ainsi développé à l’aide du code de calcul Ls-Dyna, l’ensemble de la WTC 7 a été représenté (à savoir les 47 étages du bâtiment).

Les résultats obtenus avec l’étude de sensibilité à différents paramètres ont permis au NIST de conclure que le premier scénario conduit à un mode de ruine qui s’accorde le mieux à l’effondrement réel du bâtiment observé, et qui peut être résumé comme suit :

Défaillance locale initialisant la ruine progressive
- La structure du plancher à l’étage 13 dans la partie Est, affaiblie d’une part par des sollicitations thermiques exercées sur les deux faces (dessous et dessus) et, d’autre part, par le poids et l’impact des débris des éléments du plancher à l’étage 14, s’est effondrée sur le plancher de dessous, également affaibli par l’incendie, ce qui a provoqué une ruine verticale en cascade jusqu’à l’étage 5 ;
- L’effondrement vertical des planchers autour du poteau intérieur 79, entre les étages 13 et 5, a conduit à la perte de nombreux maintiens latéraux de celui-ci, ce qui a augmenté de manière considérable sa longueur de flambement et, sous les charges des niveaux au-dessus de l’étage 14, sa perte de tenue mécanique est devenue inévitable, provoquant ainsi le mécanisme de l’effondrement global du bâtiment.

Ruine en chaîne verticale

La ruine par flambement du poteau intérieur 79 a créé une déformation verticale de l’ensemble des planchers supérieurs dans la partie Est du bâtiment jusqu’à la toiture (phénomène observé par les vidéos prises lors de l’événement avec l’affaissement du penthouse Est) et a créé des efforts de traction horizontaux, via les éléments des planchers des différents étages concernés, aux poteaux 76, 80 et 44, ce qui a conduit à la ruine en cascade de ces poteaux entre les étages 5 et 13.

Ruine en chaîne horizontale

Les poteaux intérieurs ont flambé successivement à partir du côté Est jusqu’au côté Ouest du bâtiment, suite à la perte des maintiens latéraux après la ruine verticale des systèmes de plancher, aux efforts exercés par les chute des débris et au transfert de charge additionnel lorsque les autres poteaux intérieurs n’assurent plus leur fonction de supports verticaux des planchers.

Effondrement global du bâtiment

Après le flambement des poteaux intérieurs, les charges verticales venant de la partie supérieure du bâtiment (à partir de l’étage 14) ont toutes été transférées aux poteaux de façade, ce qui a conduit également au flambement de ces poteaux (entre les étages 7 et 14). En parallèle, la partie supérieure du bâtiment s’est effondrée comme un seul bloc dans la phase finale de la ruine du bâtiment.

Le scénario d’une démolition par explosif écarté

Selon le NIST, ce mécanisme de ruine a permis d’expliquer également pourquoi, comme il a été observé visuellement, le bâtiment a effectué une chute libre durant une durée de 2 secondes environ. En fait, après la chute en cascade des planchers entre les étages 5 et 14, un espace vide d’une hauteur de 32 mètres s’est formé à l’intérieur du bâtiment. Dans ce cas, le flambement des poteaux de façade a créé une chute libre de la partie supérieure du bâtiment sur huit étages consécutifs.

Les autres hypothèses de ruine ont été également examinées par le NIST, notamment en ce qui concerne la destruction du bâtiment par explosifs. Les arguments avancés ont mis en évidence que l’explosion, d’une puissance suffisante pour sectionner, par exemple, le poteau intérieur 79, donnerait à elle seule des bruits très importants qui se seraient entendus à un kilomètre du bâtiment. Or, aucun témoignage, aucune bande sonore, n’a permis de confirmer l’existence de ce type de bruit peu de temps avant l’effondrement de la tour WTC 7. Ainsi, il a pu en être conclu que l’hypothèse d’une démolition contrôlée par explosif n’était pas plausible.

État des connaissances européennes

Le comportement au feu des structures acier et mixtes (acier + béton) a fait l’objet en France et en Europe de travaux de recherche4 depuis plusieurs décennies. Ces travaux ont conduit à l’élaboration des Eurocodes structuraux, en particulier les normes EN 1993-1.2 et EN 1994-1.2 qui traitent du comportement au feu des structures en acier et des structures mixtes. Ces Eurocodes structuraux permettent, à partir de l’évolution des propriétés mécaniques des matériaux en fonction de la température, de dimensionner les éléments de structures (poutres, poteaux, planchers...) afin qu’ils puissent résister à l’action des incendies. Ces codes de calcul sont actuellement les plus récents et évolués au niveau international. Ils ont été cités plusieurs fois en référence par les organismes américains chargés des enquêtes techniques et sont de plus en plus utilisés, dans et hors de l’Europe.

296_42-49_6En partie haute de l’immeuble, on remarque les deux locaux (East and West penthouse) construits sur le toit. La ruine par flambement du poteau intérieur 79 a créé une déformation verticale de l’ensemble des planchers supérieurs dans la partie Est du bâtiment jusqu’à la toiture. Ce phénomène a été observé sur les vidéos prises lors de l’événement avec l’affaissement du penthouse Est.

1 National Institute of Standards and Technology, institut fédéral de normalisation. Rapports NCSTAR1-9 vol1 et vol2 et NCSTAR 1-9A.

2 Tôles métalliques préformées avec des embossements servant de coffrage et permettant une bonne adhérence du béton, ce qui évite d’ajouter des armatures métalliques supplémentaires.

3 Les solives sont des poutres secondaires qui reposent sur les poutres principales et supportent la dalle.

4 Le CTICM à la fin des années 60, a construit près de Metz, dans le cadre d’un financement de la CECA (Communauté Européenne du Charbon et de l’Acier) un des plus grands fours d’essais au feu au monde afin de tester ces structures en conditions réelles.

Mis en ligne le 7 octobre 2011
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