Matériaux

Contraintes physiques et matérielles ayant conduit à l’effondrement des tours

  1. STRUCTURE EN ACIER
    L’acier est un alliage métallique constitué de plusieurs éléments chimiques dont le fer et le carbone qui lui confèrent des propriétés bien particulières comme la dureté, la ténacité, la résistance à l’usure et il a une très grande conductivité thermique. La teneur en carbone qui varie de 0.02% à 2% et les autres éléments ajoutés permettent de différencier plusieurs types d’aciers. En effet, plus ce produit contient de carbone, plus il sera dur et résistant. Dans les constructions de bâtiment, comme les Twin Towers, c’est un acier S235 qui est utilisé. C’est à dire qu’il a une limite d’élasticité Re = 235 MPa à faible épaisseur. La lettre S présente dans son nom signifie qu’il s’agit d’un acier de construction. Il est un  des matériaux les plus utilisés dans ces deux bâtiments. En effet, on en trouve 100 000 tonnes dans chaque tour, il représente donc environ 34,7% de leur masse totale. Dans la structure des tours jumelles, on le retrouve dans les colonnes porteuses et au niveau des planchers en treillis. Il a donc un rôle déterminant dans leur maintien car il supporte la plus grande partie de leur poids.
    Nous allons nous intéresser à la limite d’élasticité de l’acier présent dans les Twin Towers pour déterminer si l’impact de l’avion a été suffisant pour déformer de manière irréversible les colonnes d’acier.

    • La limite d’élasticité est la contrainte à partir de laquelle un matériau commence à se déformer de manière irréversible. Avant cette contrainte maximale, l’élasticité d’un matériau est définie par la loi de Hooke:

    σ = Eε. (Fig.9), où :

    σ est la contrainte (en Pascal)
    est le module de Young (en Pascal)
    ε est la déformation

    → Plus le module de Young d’un matériau est élevé, plus il est rigide. Étant donné que l’acier à un module de Young E = 210 GPa, on parle d’un matériau rigide. D’après plusieurs expertises et simulations, il a été démontré que la structure en acier des deux tours a été sévèrement endommagée voire sectionnée par l’impact du Boeing. On peut donc dire que cet avion a exercé sur la structure métallique, une contrainte telle que la limite d’élasticité Re = 235 MPa a été dépassée.

    • Nous allons aussi nous intéresser à la résistance et déformation de l’acier en fonction de la chaleur pour comprendre comment l’acier présent dans les Twin Towers a réagi face aux incendies.































    → On peut constater qu’aux alentours de 600°C, l’acier n’a plus que 60% de sa résistance initiale. Lors d’un incendie, l’air ambiant atteint cette température au bout de 5 minutes. Généralement au cours d’un embrasement, la température monte au-delà de 1000°C et à cette température la résistance de l’acier est quasi nulle. On constate aussi que l’augmentation de la température conduit à la diminution de la limite d’élasticité et du Module d’Young. Si ces deux propriétés mécaniques diminuent fortement, l’acier est de moins en moins rigide. Donc la capacité portante de la structure métallique diminue et cela peut conduire à l’effondrement du bâtiment. Cette baisse de résistance est due à la dilatation de l’acier qui provient d’un changement au niveau de sa structure atomique. Pour commencer, les atomes présents dans l’acier sont organisés à la manière d’un réseau cristallin, à savoir un empilement infini et régulier d’atomes identiques. 
    Suite à une élévation de la température les atomes vont s’agiter autour de leur position initiale. Il vont alors s’écarter les uns des autres, c’est le phénomène de dilatation. Les atomes ainsi écartés vont occuper un plus grand volume pour une même structure et ils ne pourront plus résister à la charge qu’ils supportaient au départ.

    Dans les Twin Towers, les colonnes d’acier ont été soumises à de fortes températures. Elles sont donc devenues de moins en moins résistantes. Par un phénomène de cisaillement et sous l’action de différentes forces, elles se sont déformées. Au niveau atomique, cela s’explique par une modification de la structure cristalline initiale suite à un déplacement de certains atomes. 

    2. PROTECTIONS THERMIQUES

    Les protections thermiques dans les Twin Towers correspondent à l’ensemble des dispositifs mis en place pour éviter que la structure du bâtiment soit soumise à des écarts excessifs de température. Elles permettent donc d’économiser l’énergie en la stockant mais aussi de retarder la propagation de chaleur lors d’un incendie qui pourrait endommager les structures métalliques du bâtiment. On utilise des matériaux ayant une faible conductivité thermique comme le chanvre, la laine de verre… En ce qui concerne les tours jumelles, les colonnes du coeur étaient confinées et protégées derrière des panneaux de gypse, les colonnes périphériques et la structure en treillis des planchers étaient, elles, recouvertes d’un revêtement ignifugé, ici un mélange de ciment et de fibres de verres appelé Fibrociment. L’épaisseur de ces protections était suffisante selon les normes de l’époque pour retarder l’affaissement des planchers avant une durée de deux heures. Les plaques de béton armé qui protégeaient une grande partie de la structure métallique peuvent être elles aussi considérées comme des protections thermiques car le béton est un matériau capable de retarder la propagation de chaleur. Le béton et l’acier sont donc deux matériaux complémentaires dans ce type de bâtiment. Nous allons donc analyser en détails ces différents isolants thermiques présents dans les tours jumelles.

    • Les panneaux de gypse correspondent à des plaques de plâtre. Le plâtre se fabrique à partir de ce matériau minéral, le gypse, qui est un sulfate de calcium hydraté de formule CaSO4  2 H2O. On peut remarquer que des molécules d’eau sont présentes dans cette roche ; elles représentent 21% de la pierre. C’est en déshydratant partiellement le gypse que l’on obtient du plâtre. La réaction chimique qui correspond à la déshydratation du gypse est :

      CaSO4       .    2 H2O  →    CaSO4   .   0,5  H2O        +        1,5  H2O

    (gypse)                                                  (plâtre)
    On dit que le plâtre est un très bon isolant thermique car il parvient à absorber et restituer l’humidité de l’air assez rapidement. Cependant, il se dégrade lorsqu’il est placé dans des endroits humides et il oxyde les métaux. Pour empêcher ce phénomène, on recouvre les armatures métalliques avec du zinc, on parle de galvanisation. Dans les tours jumelles, la structure en acier devait alors être recouverte de zinc. Le plâtre est aussi un très bon isolant face aux incendies. En effet, il absorbe une grande quantité d’énergie calorifique puis connait des transformations chimiques internes et dégage des vapeurs d’eau. Il peut supporter des températures allant jusqu’à 300°C sans connaitre de dégradation et en gardant ses propriétés mécaniques.

    • Le Fibrociment résulte de l’association de ciment, d’amiante (Fig. 9′) et de fibres de verre qui permettent la création d’un matériau composite isolant, le Composite Ciment Verre.

    On parle alors d’un micro béton ayant la particularité de comporter une grande quantité de ciment auquel sont ajoutées des fibres de verre dont le diamètre est de l’orde de 10 à 30 µm. Cette association permet de lier les qualités du micro béton à celle des fibres de verre. Le micro béton apporte ses qualités intrinsèques comme la possibilité d’être moulé mais aussi la qualité d’être un matériau capable de retarder la propagation de chaleur. L’amiante est une matière fibreuse composée de silicates de calcium et de magnésium, capable de résister au feu. Ce matériau a été très utilisé dans la construction de bâtiments pour sa résistance à la chaleur et au feu.  Cependant il est aujourd’hui interdit car il serait responsable de certaines maladies comme le cancer. Les fibres de verre permettent, elles, un comportement mécanique ductile du matériau. C’est à dire que le matériau créé pourra être étiré sans se rompre plus longtemps. On en retrouve généralement sous formes de matelas de laine de verre, autrement dit un enchevêtrement de fibres relativement courtes. Le matelas ainsi formé confère les qualités d’un isolant face aux incendies et thermique.

    Le béton est un matériau de construction composé de granulats comme le sable agglomérés par de l’eau et du ciment. Ce matériau est capable de supporter des efforts de compression importants mais sa résistance aux efforts de traction est faible. Ajouter des barres d’acier dans le béton permet de remédier au problème lié aux efforts de traction; on parle alors de béton armé. Comme le béton est non conducteur de chaleur, les structures en acier qui en étaient recouvertes dans les Twin Towers étaient bien protégées des incendies.  Jusqu’à 150°C l’acier et le béton se dilatent dans la même mesure, c’est à dire proportionnellement, ensemble. Lorsque la température dépasse 150°C, l’acier se dilate bien plus rapidement,  ce qui conduit à l’éclatement du béton.

    Dessin réalisé par l’architecte Mr Carre :








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