Pourquoi le World Trade Center est-il vraiment tombé ?

(Cet article est la version augmentée de l'article publié dans La Recherche Avril 2006.)

Quatre ans après la tragédie du 11 septembre, le rapport officiel sur l’effondrement des tours jumelles du World Trade Center de New York vient de paraître. Le coupable : la conjonction extraordinaire de l’impact détruisant l’isolation thermique et de l’incendie initié par le kérosène de l’avion, qui a ''ramolli'' l’acier des tours.

Les images des tours jumelles du World Trade Center (WTC) de New York percutées et s’effondrant le matin du 11 septembre 2001 resteront gravées dans la mémoire de chacun. Après plus de 3 années d'enquête, le National Institute of Standards and Technology (NIST) chargé par le congrès américain de l'investigation de l'effondrement vient de publier son rapport 1. Il s'agit là de la première étude scientifique complète de la tragédie. Avec près de 200 personnes impliquées, le NIST épaulé par une trentaine de partenaires industriels et universitaires, a épluché plusieurs dizaines de milliers de pages de documents, réalisé un millier d'interviews de témoins et personnes impliquées dans la construction, analysé plus de 200 pièces de métal, conduit des tests en modèle réduit et mesuré les propriétés des matériaux. L'ensemble de ces données a permis au final de réaliser la simulation par ordinateur de l'enchainement des événements depuis l'impact des appareils jusqu'à l'effondrement. Ce rapport confirme un grand nombre des conclusions dressées sur les ruines du WTC par un premier groupe d'experts, mais remet en cause le mécanisme supposé de l'effondrement progressif. Ce rapport permet également d'expliquer la différence de comportement des deux tours jumelles face aux impacts.

L’effondrement des tours du WTC constitue la plus grande tragédie dans l’histoire du génie civil. Bien qu’un premier rapport publié en mai 2002 2 apportait les premiers éléments de compréhension ''« des mécanismes probables ayant causés l’effondrement »'' , une étude plus exhaustive mais plus longue devait être menée. En août 2002, le NIST annonçait ses objectifs : d’une part enquêter sur les conditions techniques ayant contribuées au désastre et d’autre part, dresser des recommandations améliorant la sécurité dans les immeubles de grande hauteur.

Depuis plus de 30 ans d’expérience en analyse des défaillances de construction 3, le NIST s’est forgé une réputation qui l’autorise depuis octobre 2002 à enquêter sur l’ensemble des catastrophes majeures de construction sur le sol des Etats-Unis. Un premier effort a été d’abord porté sur l’établissement des performances des tours dans les conditions normales. Ceci a permis d’estimer la capacité des tours à résister à l’impact et vérifier la conformité de la construction avec les normes de l’époque. Le second effort s’est ensuite porté sur la simulation du comportement de chaque tour en 4 étapes : l’impact de l’avion et la redistribution du kérosène dans le bâtiment, la propagation des incendies, l’échauffement de la structure par les incendies, et finalement la réponse de la structure aux dommages et à l’échauffement. Après la 4ème étape, les experts du NIST ont pu remonter à la progression des défaillances ayant initiées l’effondrement.

Après seulement deux ans de construction (entre 1968 et 1970) à la pointe sud de Manhattan, les tours nord (WTC 1) et sud (WTC 2) constituaient les pièces maîtresses d’un ensemble de 7 immeubles.

Le complexe du WTC.

Même si leur forme extérieure (un parallélépipède de 415m environ et 64m de côté) paraît banale 4, l’architecture des tours était sans conteste d’une grande originalité et offrait un immense espace de travail ouvert, c'est-à-dire sans la traditionnelle forêt de colonnes. Elle consistait en un tube creux en acier (la façade) composé d’un ensemble dense de 236 colonnes d’acier périphériques, entourant un cœur de 47 colonnes d’acier abritant les ascenseurs et les escaliers. Reliant le cœur et la façade, le système de plancher était constitué, d’un seul tenant, par une charpente métallique recouverte de béton. Ce système original supportant son propre poids (et celui de ses occupants) apportait aux tours leur stabilité latérale au vent 5. Enfin, une armature en acier venait coiffer les deux tours. Même si son but d’origine était de supporter une antenne sur chaque tour 6, il procurait un ensemble de connections supplémentaires entre les colonnes du cœur et celles de la façade permettant une redistribution des charges dont nous verrons le rôle primordial dans l’effondrement des tours.

Schéma de la structure monttrant les planchers reliés d’une part à des colonnes extérieures et à un cœur composé de lourdes colonnes et abritant les escaliers et les ascenseurs.

Devant une telle catastrophe, une question arrive rapidement : les tours avaient-elles été construites dans les normes ? Plusieurs raisons auraient pu faire douter les experts : l’architecture novatrice des tours, leur taille démesurée, et surtout l’absence de code de construction, car sa construction fut placée sous la juridiction de l’Autorité Portuaire et non celle de la ville de New York comme les autres immeubles.

Toutefois, après l’examen des milliers de pages de documents émanant à la fois des autorités administratives, des compagnies d’assurance et des entreprises impliquées dans la construction, le NIST a établi que les deux tours étaient en conformité non seulement avec le code de construction de la ville de New York mais également avec l’ensemble des codes établis à l’époque. Les charges pour lesquels les tours avaient conçues ainsi que la qualité des aciers excédaient même les spécifications. Parmi, les innovations techniques de l’époque, des essais en soufflerie avaient été même effectués pour tester la résistance au vent de la structure. Un autre point particulièrement important sur lequel s’est penché le NIST concerne les systèmes de protection anti-incendie, et particulièrement l’isolation thermique. En effet pour éviter, lors d’un incendie, que les éléments d’acier soient chauffés à un point où ils perdent leur capacité à soutenir les charges, ceux-ci sont encapsulés pour retarder l’effet. Les colonnes du cœur de la structure étaient confinées derrière des panneaux de gypse tandis que les colonnes périphériques ainsi que la charpente métallique des planchers étaient recouvertes d’un revêtement ignifugé. Le matin du 11 septembre 2001, l’épaisseur minimum d’isolant spécifié était suffisante pour retarder l’échauffement selon les codes de construction en vigueur. Expériences à l’appui, le NIST a montré que les planchers pouvaient résister à un incendie près de 2 heures sans aucun effondrement, ce qui est supérieur au temps pendant lequel les tours sont restés debout.

Cette image datant de la construction montre un panneau composé des colonnes extérieures soudées trois par trois sur un plat d’épissure (splice plate) sur lequel vient s’appuyer l’armature métallique des planchers formant de hautes fenêtres étroites (la couleur rouge vient de la peinture antirouille). (bar joist seat= assise des poutrelles)

Bien qu’il n’existe pas de spécification dans les codes de construction concernant la possibilité d’une collision d’un avion de ligne sur une tour, les concepteurs de l’époque semblaient avoir été sensibilisés par un précédent. En effet en 1945, un B-25 arrivant sur New York et perdu dans le brouillard heurta l’Empire state building. Le bâtiment résistât à l’impact et à l’incendie qui s’ensuivit. Un document de l’Autorité Portuaire de New York indique que l’impact d’un Boeing 707 à 950 km/h fut analysé pendant la construction. Cependant aucune donnée technique ne permet de vérifier le fait qu’une « telle collision entraînerait uniquement des dommages localisés qui ne pourraient conduire à l’effondrement… » 7.

Toujours est-il qu’à 8 :46 et 9 :02 le 11 septembre 2001, deux Boeings 767-200 volant à près de 700 km/h et transportant aux alentours de 37000 L de kérosène heurtèrent le WTC 1 et 2 respectivement au niveau du 96ème et 80ème étage.

Les pièces de métal retrouvées après l’effondrement montre que devant la violence de l’impact, les colonnes extérieures ne se fracturèrent pas aux endroits boulonnés mais ont été littéralement déchirées, comme un caramel mou. Ce mécanisme bien connu des physiciens qui étudient les problèmes de balistique, a pu être recréé en laboratoire sur de petits médaillons d’acier écrasés à grande vitesse par un dispositif appelé barre de Kolsky. Franck Gayle et ces collègues métallurgistes ont ainsi pu vérifier la résistance mécanique des différentes qualités d’acier utilisée.

Sous le choc les colonnes sont « pliées ». Les pièces retrouvées dans les décombres montrent ce genre de déformation dite « ductile ».

Afin de modéliser l’impact, l’équipe de Fahim Sadek a ensuite reconstruit virtuellement 8 étages de chaque tour avec un niveau de détail couvrant l’ensemble des éléments de la structure (8). Avant de conduire la simulation complète de l’avion impactant la tour, une série de petites simulations contenant plus de détails ont été effectuées pour comprendre comment les divers éléments de l’avion (ailes et moteur principalement) et de l’immeuble se fragmentaient. La modélisation finale contenant plus de 2 millions d’éléments nécessitait 2 semaines de temps de calcul à un réseau de 12 ordinateurs pour capturer par pas de millionième de seconde, les événements survenus à l’impact. Si autant de soin a été porté à la fidélité de la simulation , ce fut pour bien comprendre en particulier comment les ailes en aluminium léger ont pu aussi facilement cisailler les lourdes colonnes d’acier. Une autre simulation laisse à penser que sans la masse importante de kérosène qu’elles contenaient, elles auraient pu être incapables de pénétrer et créer autant de dégâts.

Simulation 3D de la pénétration d’un bout d’aile dans la façade. Sans kérosène, l’aile est déchiquetée et ne pénètre pas

L’aile chargée de kérosène n’a pas de mal à cisailler les colonnes extérieures. On voit clairement comment le kérosène, représenté par des petites gouttes bleues, se répand à l’intérieur.

Dans tous les autres scénarios, faisant légèrement varier la vitesse des appareils ainsi que les angles et la position des impacts, le bilan infligé est lourd. A l’endroit de l’impact, les simulations prédisent l’endommageant sévère d’une trentaine de colonnes périphériques comme le montre les photographies des trous béants sur les façades prises peu après les impacts. Ce bon accord permet d’assurer la validité des simulations également à l’intérieur du bâtiment où aucune donnée n’est accessible. Ainsi on montre que plusieurs colonnes du cœur sont endommagées et qu’une partie des planchers est détruite. Les escaliers de secours non-protégés par du béton armé sont coupés, condamnant les occupants des étages supérieurs.

Bien que le choc fût important, il ressort clairement que les bâtiments ont parfaitement absorbé le choc et auraient pu rester debout si la situation avait perduré. Toutefois un certain nombre de dégâts supplémentaires vont être déterminants dans l’effondrement des immeubles. L’impact a d’abord permis une dispersion du kérosène et l’allumage d’incendie sur de larges zones. En brisant un grand nombre de vitres sur les façades, il a permis d’accroître l’apport d’air aux foyers d’incendie. Mais surtout, les nombreux débris produits et possédant une vitesse importante ont gravement endommagé les revêtements ignifugés des colonnes, les laissant vulnérables à la chaleur des incendies. De plus, l’endommagement des plafonds a permis le transfert de chaleur par les systèmes de planchers contournant ainsi les murs de compartimentation. Si finalement on ajoute à cela la destruction du système d’extincteur automatique, on s’aperçoit que rien ne pouvait entraver les incendies. Dans chaque tour, l’embrasement du kérosène sous la forme de boules de feu bien visibles depuis l’extérieur, ne va durer que quelques minutes et consommer ⅓ du kérosène. La plupart du combustible qui va alimenter les incendies ensuite provient principalement des fournitures de bureau.

Il est extrêmement difficile de simuler un incendie lorsqu’un bâtiment est effondré. La première idée a été d’imbiber un espace de travail modèle avec la quantité de kérosène attendu, et de voir si l’intensité du feu pouvait être calculée correctement. Un soin particulier a été pris pour mesurer les températures, la quantité et la vitesse des gaz rejetés et l’oxygène consommé entrant par un bout de fausse façade reconstitué. Des capteurs de poids placés sous le dispositif mesuraient également la quantité de matière consumée.

Expérience en modèle réduit de la combustion de trois stations de travail. On a d’abord recréé fidèlement l’arrangement de l’espace et les fournitures. Au fond on reconnaît les colonnes de la façade formant de hautes fenêtres.

Le tout a ensuite été effondré, la quantité de kérosène et de débris d’isolation ont été ajoutés pour reproduire les conditions près des zones impactées.

La température a été mesurée en temps réel grâce à une batterie de thermocouples ainsi que le volume de gaz émis

De ces expériences ressort un résultat important pour estimer la chaleur dégagée par les incendies dans la zone détruite par l’avion : un poste de travail effondré (donc plus compact) et recouvert de morceaux isolant du plafond produit 2 fois moins de chaleur qu’une station normale 9. A l’aide de ses données, et de la répartition du combustible obtenu après la simulation de l’impact , Richard Gann et ses collègues ont été en mesure de modéliser l’incendie. Les résultats ont ensuite été confrontés aux photographies montrant la propagation des flammes. Ils montrent une différence majeure dans le comportement des deux tours : dans WTC 1, la propagation des feux se trouve limitée par l’apport d’air frais et les incendies se déplacent du côté nord près de l’impact vers le côté sud, au fur et à mesure que la chaleur brise de nouvelles fenêtres. Dans WTC 2 où l’orientation de l’avion lors de l’impact a provoqué l’accumulation de nombreux débris combustibles dans le coin nord-est de la tour, les incendies sont beaucoup plus concentrés et intenses dans cette partie.

Simulation de l’impact des tours vue de dessus. Dans les deux cas, la pénétration de l’avion endommage sévèrement plusieurs colonnes du cœur. La propagation des feux dans WTC 1 et 2 est montrée dessous. En rouge les zones les plus chaudes et en bleu les plus froides. Dans le cas de WTC 1 l’impact est plus frontal. Dans WTC 1, l’incendie est concentré dans la zone d’impact côté nord puis se déplace vers le côté sud.

Dans le cas de WTC 2, le kérosène et les débris sont plus concentrés dans la partie est, ce qui entraîne des feux sont plus concentrés et stagnants dans la partie est.

Le dernier tour de force consistait à coupler l’analyse structurale du bâtiment et la modélisation de l’incendie, une première rendue possible grâce à un logiciel spécialement développé dans l’équipe de John Gross. Simuler l’effet d’un incendie sur l’intégrité d’une structure requiert la compréhension du transfert de la chaleur à travers ses différents éléments. Les premières investigations se sont d’abord focalisées sur l’échauffement d’une barre d’acier : correctement isolée, plus de 10 heures sont nécessaires pour atteindre une température de 600°C, alors que cette même température est atteinte seulement au bout de 13 minutes sans isolant. Les calculs plus complexes tenant compte de la géométrie et de l’endommagement de la structure, montre que la chaleur peut s’écouler à travers les trous dans l’isolation et s’étendre largement. Alors qu’aucune colonne correctement isolée n’atteint la température de 300°C, la température d’une large partie de la charpente métallique des planchers ainsi que les colonnes endommagées du cœur atteint 500°C pendant 45min avec des pics à plus de 700°C.

Simulation de l’échauffement d’une colonne du cœur (vue en coupe). Sur la partie à droite, on a enlevé une couche d’isolant et on a soumis la pièce à la chaleur dégagée par l’incendie. On voit que la chaleur se propage largement dans la section de colonne.

Comme la structure des aciers changent avec la température, l’observation microscopique de pièces retrouvées dans les décombres permet de tracer leur histoire thermique. Ces observations montrent qu’aucune pièce n’a été portée à plus de 600°C pendant plus de 15 minutes, apportant crédit aux simulations. Quant aux colonnes périphériques, leur température prédite à moins de 250°C est confirmée par l’analyse des craquelures de peinture sous l’effet de la dilatation thermique. Sous des contraintes modérées, l’acier est élastique, de sorte qu’on peut le comprimer sans que cela soit définitif : il reprend sa forme en relâchant la contrainte. Par contre sous de fortes charges, il se déforme irréversiblement (on parle de déformation plastique) . Lorsque l’acier est chauffé, sa capacité à supporter une charge et sa résistance à un déplacement latéral diminue, de sorte qu’il se déforme à une contrainte (appelée limite d’élasticité) plus faible. A 300°C, la limite d’élasticité diminue d’environ 20%. A ce point, les colonnes commencent à fléchir. A 500°C, le phénomène devient catastrophique : les colonnes commencent littéralement à se raccourcir dans un processus appelé « fluage » qui amplifie le fléchissement des colonnes.

L’effet du feu sur les colonnes de la façade. Sur cette pièce retrouvée dans les décombres, on voit comment la peinture s’est écaillée lorsqu’elle a été soumise à une forte température, alors qu’elle se trouve intact lorsque l’isolant a joué son rôle.

Ainsi aux températures atteintes, les planchers commencèrent à s’affaisser et les colonnes du cœur se raccourcirent. Toutefois, contrairement aux conclusions dressées dans le premier rapport, les connections avec les colonnes périphériques restent opérationnelles et les planchers ne tombent pas les uns sur les autres provoquant un effondrement progressif. Au contraire, l’affaissement des planchers dans les régions où l’incendie est le plus important (côté sud pour WTC 1 et côté est pour WTC 2) provoque le fléchissement des colonnes périphériques entraînant un léger basculement de la partie supérieure de la tour, comme on peut clairement l’observer sur les images prises avant l’effondrement. Il s’ensuit alors la séquence d’effondrement suivante.

Simulation de l'effondrement pour WTC2. Les niveaux de couleur indique la déformation par rapport à sa situation d'origine (lignes blanches). On assiste à un basculement vers le sud et l'est

Evidence photographique du basculement (flèche blanche).

Dans les deux tours, l’affaiblissement des colonnes du cœur entraîne, via les connections du toit, la redistribution des charges vers les colonnes périphériques. Ceci a pour conséquence d’accroitre le fléchissement des façades et provoquer une grande instabilité. A un moment donné (56 min pour WTC 2 et 102 min pour WTC 1 après impact), les colonnes extérieures deviennent incapables de supporter la charge de la partie supérieure de l’édifice. A mesure que cette dernière bascule, ni le cœur, ni les façades ne soutiennent plus aucune charge. L’énergie libérée par le mouvement de la partie supérieure est tellement important que même la partie inférieure intacte ne peut résister. L’effondrement s’ensuit.

A ce stade une question est soulevée : pourquoi WTC 2 s’est effondré presque deux fois plus tôt que WTC 1 alors que les tours étaient similaires ? Le rapport final du NIST apporte ici un éclairage important. Les dommages infligés aux colonnes de cœur, en particulier aux colonnes plus chargées situées dans les angles, ont été plus importants pour WTC 2, ceci en raison de la trajectoire de l’avion à l’impact. Parce que la trajectoire fut moins frontal mais excentrée par rapport au milieu de la façade, les incendies qui se développèrent dans WTC 2 furent plus localisés et plus intenses dans la partie est, en conséquence de quoi, les colonnes ont perdu plus rapidement leur capacité à supporter les charges.

Devant l’infinité de combinaisons possibles d’impact (angles d’inclinaison et position de l’impact, vitesse de l’appareil, quantité de kérosène transportée…) aucune certitude ne peut être apportée sur l’issu d’une telle catastrophe dans une autre situation. Il paraît probable que l’ensemble des scénarios « raisonnables » aurait conduit à l’effondrement. Par contre, ce que le NIST affirme plus clairement est que « les tours du WTC ne se seraient probablement pas effondrés sous l’effet combiné de l’impact des avions et de l’incendie […], si l’isolation thermique n’avait pas été délogée […] par l’impact des l’avions ».

Bien qu’il soit peu probable qu’une telle catastrophe se reproduise, de riches enseignements ressortent de cette étude et concerne le cas plus probable d’un incendie sur plusieurs étages. Il apparaît alors crucial qu’un rôle central doit être accordé au design des éléments de compartimentation et à la protection thermique des éléments de structure. Priver l’incendie d’oxygène en installant des fenêtres résistantes à la chaleur pourrait être un élément de sécurité supplémentaire. Mais là où le bas blesse concerne l’évacuation et le secours des personnes. Le NIST pointe en effet une insuffisance de la capacité des escaliers de secours, ne pouvant supporter le contre-flot des secours allant porter assistance aux victimes des étages supérieurs. Si les tours avaient été remplies au moment du drame, ils n’auraient pu permettre l’évacuation complète des tours avant l’effondrement. On imagine également que des vies auraient pu être sauvées si les escaliers insuffisamment protégés n’avaient pas été sectionnés à la hauteur de l’impact, condamnant les personnes au dessus.


  1. Le rapport officiel du NIST 

  2. Rapport publié par le FEMA (Agence Fédérale de Gestion des situations d’Urgence) et ASCE (Société Américaine des Ingénieurs en génie Civil), regroupant principalement un pool d’ingénieurs et architectes volontaires 

  3. Comme par exemple l’enquête sur l’attentat détruisant un bâtiment fédéral en 1995 à Oklahoma City 

  4. On disait à l’époque qu’elles étaient les boîtes desquelles étaient sortis l’Empire State et le Chrysler buildings 

  5. Un système original d’amortisseurs avait été également prévu pour réduire l’inconfort occasionné par l’oscillation du bâtiment par le vent. 

  6. Seule WTC 1 en possédait une de 109m de haut. 

  7. Il est tentant sur cette base d’incriminer la structure du WTC, toutefois aucune comparaison n’est possible au vue des différences à l’impact. En particulier un avion en fin de parcours transporte beaucoup moins de kérosène, ce qui change son poids et donc sa capacité à pénétrer dans la structure, cf. analyse de l’impact dans la suite du texte. 

  8. En particulier on a pris en compte le renforcement de certaines colonnes de la tour sud prévu pour supporter un énorme coffre-fort au 97ème étage. 

  9. La simulation de l’embrasement de trois stations de travail intact conduit à des pics de puissance émise de l’ordre de 10MW après 20minutes.