Ce que les ingénieurs en structure ont appris du 11 septembre

Les membres de la profession étudient de tels événements tragiques pour essayer de s'assurer que quelque chose de similaire ne se reproduira plus

Les événements du 11 septembre ont secoué le monde. Avant ce jour, nous ne pouvions pas imaginer que quelqu'un serait assez audacieux et cruel pour décréter une telle violence. Nous ne pouvions pas imaginer que deux gratte-ciel emblématiques de 110 étages s'effondreraient au milieu d'une ville américaine, creusant et écrasant d'autres bâtiments sur des centaines de pieds dans toutes les directions. Nous nous sommes demandé : « Comment cela a-t-il pu arriver ? Comment ont-ils pu s'effondrer ? Ce sont des questions naturelles qui expriment l'ampleur de la perte que nous avons ressentie ce jour-là.

Les ingénieurs en structure ont également posé ces questions, mais ils ont également posé la question contrastée : comment les tours du World Trade Center ont-elles réussi à résister à l'attaque, même pendant une courte période ? Les dégâts étaient importants. Des avions commerciaux volant à une vitesse presque maximale se sont écrasés dans les bâtiments, coupant de larges bandes à travers les murs extérieurs et infligeant d'importants dommages à l'intérieur. Cela n'aurait-il pas dû suffire à provoquer un effondrement immédiat ?

Les tours jumelles n'ont pas été conçues pour résister au type de dommages qu'elles ont subis. Tout au plus, lors de leur conception, on craignait qu'un avion errant ne heurte accidentellement l'une des tours. Les ingénieurs auraient pu supposer que les incendies dans l'un ou l'autre des bâtiments seraient probablement confinés à un étage et que les systèmes de gicleurs fonctionneraient correctement.

Ce que nous avons vu était très différent. De nombreux éléments structurels clés ont été détruits instantanément et de grands incendies se sont allumés simultanément sur plusieurs étages avec des gicleurs en ruine. Les bâtiments ont résisté, bien que brièvement, principalement parce que leurs structures avaient des mécanismes redondants pour supporter le poids.

Vous avez vu des photographies des tours avant le 11 septembre. Les murs extérieurs avaient des fenêtres étroites flanquées de colonnes en acier inhabituellement rapprochées. Il y avait aussi des poutres profondes au niveau des sols, formant un treillis d'acier serré qui recouvrait les surfaces des bâtiments.

Une grande partie de la soudure a été effectuée hors site. Des panneaux de treillis de trois étages de haut sur trois colonnes de large ont été fabriqués dans une usine et transportés au centre-ville de Manhattan. Pour augmenter la résistance, ces panneaux étaient décalés verticalement, comme les pièces d'un puzzle, de sorte que tous leurs hauts et bas ne s'alignaient pas au même niveau du sol.

Les quatre côtés de chaque bâtiment formaient un tube avec des fentes de fenêtre. Ce tube était conçu pour transporter le poids du bâtiment et de son contenu directement vers les fondations. Les murs agissaient comme des poutres verticales, larges et hautes comme les bâtiments, qui se penchaient sur le côté pour absorber les charges de vent.

Lorsque l'avion a découpé des rangées de colonnes et de poutres dans les murs extérieurs, un champ de treillis au-dessus des dommages a fourni des poutres horizontales de plusieurs étages de profondeur pour s'étendre sur l'entaille. Dans le même temps, les murs extérieurs endommagés ont été partiellement suspendus à la structure au-dessus.

La résistance des éléments structurels étroitement espacés a permis aux murs de s'affaisser un peu sans tomber totalement. Dans cet état, les tours debout ont permis à de nombreux occupants sous les étages de collision et dans les bâtiments environnants de s'échapper.

L'échec s'est finalement produit lorsque les incendies intenses à l'intérieur des tours ont affaibli les systèmes de plancher qui renforçaient les murs extérieurs. Lorsque les murs se sont déformés, les parties supérieures des bâtiments sont tombées en blocs et ont été enfoncées dans les étages inférieurs au fur et à mesure qu'elles tombaient, un peu comme une tête de hache enfoncée dans le bois pour le fendre.

Nous savons également que le Pentagone a été attaqué par un avion le 11 septembre. Ce qui est probablement moins connu, c'est qu'une partie de la zone endommagée a résisté pendant environ 20 minutes avant de s'effondrer également. Le Pentagone, haut de cinq étages, a été sapé par un avion qui s'est écrasé au premier étage, y démolissant de nombreuses colonnes et plusieurs à l'étage supérieur. Pourtant, il a tenu assez longtemps pour que tout le monde dans les trois niveaux supérieurs puisse évacuer avant l'effondrement.

Le Pentagone a une ossature en béton armé d'acier avec un système de plancher "bidirectionnel": des poutres passent dans les deux sens entre les colonnes, fournissant un mécanisme secondaire pour supporter le poids. Lorsque les colonnes ont été détruites, le bâtiment au-dessus s'est affaissé. Maisles poutres entrecroisées du planchera agi comme un filet pour soutenir la zone au-dessus des dégâts.

Essentiellement, toutes les colonnes en béton, y compris celles du Pentagone, renferment des barres d'acier verticales encastrées qui travaillent avec le béton pour supporter le poids. Les colonnes en béton ont également des barres d'acier horizontales qui enveloppent et renforcent les barres verticales et confinent le béton au milieu. Comme c'était courant dans les années 1940 lors de la construction du Pentagone, les barres d'acier horizontales étaient pliées en spirales, s'enroulant autour et autour des barres verticales sur toute la hauteur de chaque colonne.

Le motif de renforcement dans les colonnes créait de la ductilité, ce qui signifie qu'elles pouvaient se déformer brusquement sans rupture fatale. Étroitement confiné à l'intérieur de la cage de barres d'acier verticales et horizontales, le béton au milieu de nombreuses colonnes endommagées est resté en place même si les colonnes étaient pliées en forme de banane, se courbant à mi-hauteur jusqu'à trois fois le diamètre de la cage. Même avec autant de déformations, de nombreuses colonnes fortement endommagées supportaient encore du poids, limitant ainsi la surface du sol qui devait se comporter comme un filet.

La partie du Pentagone qui s'est finalement effondrée était bien inférieure à l'entaille totale de l'avion. Comme les tours, il est également tombé parce qu'un feu intense a encore affaibli les poutres et les colonnes critiques.

La profession d'ingénieur en structure étudie des événements tels que ceux du 11 septembre pour améliorer la pratique. Bon nombre de ces études, menées par des organisations telles que le Structural Engineering Institute de l'American Society of Civil Engineers( SEI/ASCE), l'Institut national des normes et de la technologie et l'Agence fédérale de gestion des urgences, ont documenté des caractéristiques, telles que la redondance et la ductilité, qui améliorent la résistance aux agressions extrêmes. Sur la base de ces informations, des chercheurs et des ingénieurs en structure en exercice s'efforcent de rendre nos structures sûres et économiques pour une utilisation quotidienne et également capables de survivre en cas de dommages.

Le risque d'"effondrement disproportionné", qui est un effondrement généralisé à la suite de dommages très localisés, est particulièrement préoccupant. Nous prévoyons que des dommages importants pourraient entraîner un effondrement, comme ce fut le cas le 11 septembre, mais nous nous efforçons d'empêcher l'effondrement en cascade d'événements aussi petits qu'un simple incendie, une explosion ou une collision avec un véhicule routier errant.

À la suite de l'attentat à la bombe de 1995 contre le bâtiment fédéral Alfred P. Murrah à Oklahoma City, SEI / ASCE a publié de nouvelles directives pour les conceptions destinées à résister aux explosions. Les incendies qui ont finalement détruit le World Trade Center et le Pentagone ont conduit SEI/ASCE à plaider pour une meilleure analyse des effets des incendies sur les bâtiments. Bientôt, SEI / ASCE publiera des conseils sur l'atténuation du potentiel d'effondrement disproportionné. Pour recueillir et diffuser des informations supplémentaires, SEI/ASCE a mis en place Collaborative Reporting for Safer Structures US, un centre d'échange permettant aux ingénieurs de partager les enseignements tirés des défaillances.

Comme tout le monde, les ingénieurs en structure pleurent les pertes humaines, physiques et sociétales du 11 septembre, et nous redoutons la possibilité de défaillances structurelles catastrophiques à l'avenir. Mais les ingénieurs et autres partenaires de l'industrie de la construction ne sont pas complaisants en cas de panne. On étudie, on apprend et on s'améliore.

Il s'agit d'un article d'opinion et d'analyse, et les opinions exprimées par l'auteur ou les auteurs ne sont pas nécessairement celles de Scientific American.

Donald Dusenberryest ingénieur-conseil et ancien président du Structural Engineering Institute de l'American Society of Civil Engineers.

Laura Reece Hogan

Jenny Morber et Starre Vartan | Avis

Devin Farmiloe

Thomas Krumenacker

Louise Gentle et The Conversation États-Unis

Timmy Broderick