В тази публикация в блога ще разгледаме накратко причините и последиците от срутването на кулите близнаци след терористичните атаки от 11 септември.

Преглед на инцидента

На 11 септември 2001 г. два отвлечени Boeing 767 се разбиха в горните части на кулите близнаци на Световния търговски център (WTC 1 и WTC 2) в Ню Йорк съответно в 8:46 ч. и 9:03 ч. Въпреки че сградите не се срутиха веднага след сблъсъците, комбинация от пожар и структурни повреди причини последователно срутване на WTC 2 от горните етажи в 9:59 ч. и на WTC 1 в 10:29 ч., превръщайки 110-етажните сгради в купчини развалини.
Приблизително 50 000 души са работили в тези сгради и много посетители са преминавали през тях ежедневно. В резултат на срутването 2,752 от приблизително 58 000 души вътре в сградите са загинали, а около 500 спасители също са загубили живота си. Събитието се е развило като катастрофално „прогресиращо срутване“, шокирайки целия свят.

Основи на строителните товари и естеството на срутването

Сградите са проектирани да издържат на различни натоварвания, включително собствено натоварване (теглото на самата конструкция), експлоатационно натоварване (предмети и хора вътре), ветрови натоварвания и сеизмични натоварвания. Сред тях гравитационните натоварвания (собствено натоварване и експлоатационно натоварване) са основните натоварвания, които винаги присъстват. Докато страничните ветрови и сеизмичните натоварвания се разглеждат отделно, независимо от първоначалната причина за срутването, сградата в крайна сметка се срутва, когато балансът на гравитационните сили е нарушен.
Структурните дефекти или грешки в проектирането и строителството са човешки фактори, които могат да бъдат предвидени и контролирани, но външни сили като експлозии или сблъсъци на самолети са трудни за предвиждане. Въпреки че в миналото е имало случаи на сблъсъци на самолети (напр. сблъсъкът с Емпайър Стейт Билдинг през 1945 г.), нито един от тях не е довел до катастрофално каскадно срутване. Това показва, че пълно срутване може да се случи само когато се комбинират множество фактори.

Концепцията за каскаден колапс - аналогията с доминото

Каскадното срутване се оприличава на феномена на домино, падащо последователно. Това е всеобхватен механизъм на разрушаване, при който повредата, произтичаща от локализирана повреда, предава шок на околната структура и този натрупан шок в крайна сметка води до срутване на цялата структура.
Както в примера с доминото, поставянето на стабилно препятствие – например „дебела енциклопедия“ – в средата, за да абсорбира удара на първото домино, прекъсва веригата. В архитектурата такава „втора линия на защита“ трябва да бъде включена в дизайна, за да се предотврати разпространението на локализирани щети до пълен колапс.

Механизъм на срутване на Световния търговски център: Последователен сценарий на екипа на професор Базант

Един от най-убедителните сценарии, предложени след обстоен експертен преглед, е моделът на последователно срутване, разработен от екипа на професор Базант в Северозападния университет. Ключовите моменти са следните: Въпреки че самолетната катастрофа е причинила локализирани повреди по колони и подове, тя не е довела веднага до пълно срутване. Проблемът е бил масивният пожар, причинен от горивото.
Тъй като пожарът е довел до повишаване на температурата на стоманата, твърдостта и здравината на колоните и гредите са били значително намалени. По-специално, областите, където огнеупорното покритие се е отлепило, са били изложени на високи температури, което е довело до огъване на колоните (явление, при което напречното сечение става твърде малко спрямо дължината, причинявайки внезапно огъване под натиск) или до разрушаване на съединенията. Тъй като горните етажи частично са се срутили, долните колони не са могли да издържат на кинетичната енергия на падащата маса, което е довело до верижна реакция на срутване.
От приблизително 60-те колони от страната на удара, значителен брой са били скъсани или силно повредени; въпреки че делът на външните стенни колони (общо приблизително 287), директно повредени от удара, е бил малък (около 16%), натоварването е било концентрирано върху неповредените колони. Освен това, изгарянето на реактивно гориво е генерирало температури, много по-високи от тези при типичен пожар в офис, ускорявайки повредата на огнеупорната облицовка и намалявайки якостта на стоманата.

Кратък механичен анализ

Един от първоначалните спорни моменти беше дали „самата сила на удара от катастрофата на самолета е задействала незабавно верижната реакция“. Въз основа на законите за движение на Нютон (промяна в импулса = удар), силата на удара може да бъде приблизително оценена, както следва. Ако приемем общо тегло на самолета от приблизително 200 тона, скорост преди удара от 250 м/с и продължителност на удара от около 0.4 секунди (предполага се, че е изминал приблизително 50 метра след удара, преди да спре), силата на удара се изчислява на приблизително 12 500 тона.
Тази цифра е сравнително малка в сравнение с вятърните натоварвания, взети предвид в проекта на сградата (оценени на приблизително 30–40% от проектното вятърно натоварване), така че щетите, причинени от удара, вероятно са били локализирани. Всъщност сградата не се е срутила веднага след удара; ако срутването е било причинено единствено от силата на удара, върху долните етажи ще е действал голям момент, причинявайки незабавно странично срутване.
Страничното изместване, причинено от удара, се оценява на само около 20–40 см, което е много малко – едва 1/1,000 до 1/2,000 от общата височина на сградата. С други думи, динамичната деформация, причинена от удара, сама по себе си е недостатъчна, за да обясни пълното срутване.
От друга страна, локалното срутване, причинено от огъване на колони, чиято якост е намалена от високи температури, може да доведе до свободно падане на масата на горния етаж. За да се спре падащата маса на горния етаж, намаляването на потенциалната енергия трябва да се абсорбира като деформационна енергия от колоните. В случая на Световния търговски център 2 (прогнозни стойности: височина на етажа h ≈ 3.7 m, горна маса m ≈ 5.8×10^8 kg, ефективна коравина на колоните и конструкцията k ≈ 7.1×10^10 N/m, g=9.81 m/s^2), просто изчисление на енергийния баланс показва, че е приложено натоварване десетки пъти по-голямо от проектното натоварване.
Тези приблизителни резултати от изчисленията подкрепят тълкуването, че дори когато се вземат предвид коефициентите на безопасност, компресионното разрушаване на колоните би се случвало непрекъснато, което би направило верижното срутване неизбежно. С други думи, разумно е да се заключи, че верижното срутване е започнало поради комбинация от локални повреди, причинени от удара, и отслабване на стоманата, причинено от пожара.

Предотвратяване на срив на веригата и уроци по проектиране

Този инцидент оказа значително влияние не само върху архитектурното инженерство, но и върху дизайнерските практики и управлението на бедствия.

По-специално, бяха подчертани дизайнерски концепции, наблягащи на „алтернативни пътища на натоварване“ и структурна цялост, за да се предотврати каскадно срутване в свръхвисоки сгради.
Като цяло, за да се предотврати каскадно срутване чрез проектиране, трябва да се приемат „сценарии за загуба на колони“ и да се гарантира, че дори ако една или няколко колони бъдат загубени, околните греди и колони преразпределят натоварването, така че това да не доведе до пълно срутване. Вземайки за пример загубата на колона на първия етаж в централната секция, колоните и гредите от двете страни трябва да поемат и пренасят натоварването на колоната, което преди това е било поддържано от тази колона, и те изискват достатъчна якост и пластичност (способност за деформация), за да устоят на огъване.
След инцидента със Световния търговски център (СТЦ) се преосмисля как липсата на проектни маржове – в резултат на оптимизация, фокусирана върху намаляване на разходите, прекомерното използване на методи за свързване и прекомерната зависимост от прецизен анализ – може да представлява риск за структурната безопасност. Осигуряването на проектни маржове за якост и пластичност, които действат като „втора линия на защита“, и осигуряването на алтернативни пътища на натоварване са станали критични по време на фазата на проектиране.

Заключение

Въпреки че срутването на Световния търговски център беше сложно събитие, ключовият момент е, че локализираните щети, причинени от удара, в комбинация със структурни елементи, отслабени от масивни пожари, доведоха до свободното падане на масата на горния етаж. Тъй като долната конструкция не можа да абсорбира тази кинетична енергия, това доведе до каскаден колапс. Дори прости концепции на Нютоновата механика – като запазване на импулса и енергиен баланс – могат да обяснят същността на това сложно явление.
В крайна сметка, ключовият урок е, че гравитацията е „терминаторът“ и сградата се срутва, когато балансът на силите спрямо гравитацията е нарушен. Следователно, проектантите трябва винаги да имат предвид структурната цялост, алтернативните пътища на натоварване и достатъчните граници на безопасност, за да предотвратят разпространението на локализирани повреди до пълно срутване.