Šajā emuāra ierakstā mēs īsumā aplūkosim Dvīņu torņu sabrukšanas cēloņus un sekas pēc 11. septembra teroristu uzbrukumiem.
Pārskats par incidentu
2001. gada 11. septembrī divas nolaupītas Boeing 767 lidmašīnas ietriecās Pasaules tirdzniecības centra dvīņu torņu (WTC 1 un WTC 2) augšējos stāvos Ņujorkā attiecīgi plkst. 8:46 un 9:03. Lai gan ēkas nesabruka uzreiz pēc sadursmēm, ugunsgrēka un konstrukcijas bojājumu kombinācija izraisīja WTC 2 sabrukšanu no augšējiem stāviem plkst. 9:59 un WTC 1 sabrukšanu plkst. 10:29, pārvēršot 110 stāvu ēkas gruvešu kaudzēs.
Šajās ēkās strādāja aptuveni 50 000 cilvēku, un katru dienu caur tām gāja daudzi apmeklētāji. Sabrukšanas rezultātā gāja bojā 2,752 no aptuveni 58 000 cilvēku, kas atradās ēkās, un dzīvību zaudēja arī aptuveni 500 glābēju. Notikums izvērtās kā katastrofāla "progresīva sabrukšana", šokējot visu pasauli.
Ēku slodžu pamati un sabrukšanas raksturs
Ēkas ir projektētas, lai izturētu dažādas slodzes, tostarp pašsajūtas slodzi (pašas konstrukcijas svaru), aktīvo slodzi (priekšmetus un cilvēkus iekšpusē), vēja slodzes un seismiskās slodzes. Starp tām gravitācijas slodzes (pašsajūtas slodze un aktīvā slodze) ir pamata slodzes, kas vienmēr ir klātesošas. Lai gan sānu vēja un seismiskās slodzes tiek aplūkotas atsevišķi, neatkarīgi no sākotnējā sabrukšanas cēloņa, ēka galu galā sabrūk, kad tiek izjaukts gravitācijas spēku līdzsvars.
Konstrukcijas defekti vai kļūdas projektēšanā un būvniecībā ir cilvēciskie faktori, kurus var paredzēt un kontrolēt, taču ārējus spēkus, piemēram, sprādzienus vai lidmašīnu sadursmes, ir grūti paredzēt. Lai gan pagātnē ir bijuši lidmašīnu sadursmju gadījumi (piemēram, 1945. gada Empire State Building sadursme), neviens no tiem neizraisīja katastrofālu kaskādes veida sabrukumu. Tas parāda, ka pilnīga sabrukšana var notikt tikai tad, ja apvienojas vairāki faktori.
Kaskādes sabrukuma koncepcija — Domino analoģija
Kaskādes sabrukšana tiek pielīdzināta domino kauliņu krišanas parādībai secīgi. Tas ir visaptverošs bojājumu mehānisms, kurā lokalizēta bojājuma radītie bojājumi pārnes triecienu uz apkārtējo konstrukciju, un šis uzkrātais trieciens galu galā noved pie visas konstrukcijas sabrukšanas.
Tāpat kā domino piemērā, ķēde tiek pārtraukta, novietojot vidū stabilu šķērsli — piemēram, “biezu enciklopēdiju”, lai absorbētu pirmā domino triecienu. Arhitektūrā šāda “otrā aizsardzības līnija” ir jāiekļauj projektā, lai novērstu lokalizētu bojājumu izplatīšanos līdz pilnīgai sabrukšanai.
Pasaules tirdzniecības centra sabrukšanas mehānisms: profesora Bazanta komandas secīgais scenārijs
Viens no pārliecinošākajiem scenārijiem, kas tika piedāvāts pēc plašas ekspertu pārskatīšanas, ir profesora Bazanta komandas Ziemeļrietumu universitātē izstrādātais secīgās sabrukšanas modelis. Galvenie punkti ir šādi: lai gan lidmašīnas avārija izraisīja lokālus bojājumus kolonnām un grīdām, tā nekavējoties neizraisīja pilnīgu sabrukumu. Problēma bija degvielas izraisītais milzīgais ugunsgrēks.
Ugunsgrēkam paaugstinoties tērauda temperatūrai, kolonnu un siju stingrība un izturība ievērojami samazinājās. Jo īpaši vietas, kur bija nolobījies ugunsdrošais pārklājums, tika pakļautas augstām temperatūrām, izraisot kolonnu deformāciju (parādība, kad šķērsgriezums kļūst pārāk mazs attiecībā pret garumu, izraisot pēkšņu lieci spiedes slodzes ietekmē) vai savienojumu bojājumus. Tā kā augšējie stāvi daļēji sabruka, apakšējie kolonnas nespēja izturēt krītošās masas kinētisko enerģiju, izraisot sabrukšanas ķēdes reakciju.
No aptuveni 60 kolonnām trieciena pusē ievērojams skaits bija pārrautas vai nopietni bojātas; lai gan trieciena tieši bojāto ārsienu kolonnu (kopā aptuveni 287) daļa bija neliela (aptuveni 16%), slodze koncentrējās uz nebojātajām kolonnām. Turklāt reaktīvās degvielas sadegšana radīja temperatūru, kas bija daudz augstāka nekā tipiska biroja ugunsgrēka laikā, paātrinot ugunsdrošā apšuvuma bojājumus un samazinot tērauda izturību.
Īsa mehāniskā analīze
Viens no sākotnējiem strīdus punktiem bija par to, vai "lidmašīnas avārijas trieciena spēks pats par sevi nekavējoties izraisīja ķēdes reakciju". Pamatojoties uz Ņūtona kustības likumiem (impulsa izmaiņas = trieciens), trieciena spēku var aptuveni novērtēt šādi. Pieņemot, ka kopējais lidmašīnas svars ir aptuveni 200 tonnas, ātrums pirms trieciena ir 250 m/s un trieciena ilgums ir aptuveni 0.4 sekundes (tiek lēsts, ka pēc trieciena lidmašīna nolidoja aptuveni 50 metrus pirms apstāšanās), trieciena spēks tiek aprēķināts aptuveni 12 500 tonnas apmērā.
Šis skaitlis ir salīdzinoši mazs, salīdzinot ar ēkas projektēšanā ņemtajām vērā vēja slodzēm (tiek lēsts, ka tās ir aptuveni 30–40 % no projektētās vēja slodzes), tāpēc trieciena radītie bojājumi, visticamāk, bija lokalizēti. Patiesībā ēka nesabruka uzreiz pēc trieciena; ja sabrukumu būtu izraisījis tikai trieciena spēks, uz apakšējiem stāviem būtu iedarbojies liels moments, izraisot tūlītēju sānu sabrukumu.
Trieciena izraisītā sānu nobīde tiek lēsta tikai aptuveni 20–40 cm apmērā, kas ir ļoti maza — tikai 1/1,000 līdz 1/2,000 no ēkas kopējā augstuma. Citiem vārdiem sakot, trieciena izraisītā dinamiskā deformācija vien nav pietiekama, lai izskaidrotu pilnīgu sabrukumu.
No otras puses, lokāls sabrukums, ko izraisa kolonnu izliekums, kuru izturību samazinājusi augsta temperatūra, var izraisīt augšējā stāva masas brīvu krišanu. Lai krītošā augšējā stāva masa apstātos, kolonnām potenciālās enerģijas samazinājums jāabsorbē kā deformācijas enerģija. WTC 2 gadījumā (aprēķinātās vērtības: stāva augstums h ≈ 3.7 m, augšējā masa m ≈ 5.8×10^8 kg, kolonnu un konstrukcijas efektīvā stingrība k ≈ 7.1×10^10 N/m, g = 9.81 m/s^2) vienkāršs enerģijas bilances aprēķins norāda, ka tika pielikta slodze, kas desmitiem reižu pārsniedz projektēto slodzi.
Šie aptuvenie aprēķinu rezultāti apstiprina interpretāciju, ka pat ņemot vērā drošības faktorus, kolonnu spiedes bojājums notiktu nepārtraukti, padarot ķēdes sabrukumu neizbēgamu. Citiem vārdiem sakot, ir pamatoti secināt, ka ķēdes sabrukšana sākās gan lokālu trieciena izraisītu bojājumu, gan ugunsgrēka izraisītas tērauda pavājināšanās kombinācijas dēļ.
Ķēdes sabrukšanas novēršana un projektēšanas mācības
Šim incidentam bija būtiska ietekme ne tikai uz arhitektūras inženieriju, bet arī uz projektēšanas praksi un katastrofu pārvaldību.
Īpaši izceltas ir dizaina koncepcijas, kas uzsver "alternatīvus slodzes ceļus" un strukturālo integritāti, lai novērstu kaskādes sabrukumu īpaši augstās ēkās.
Parasti, lai novērstu kaskādes sabrukumu projektēšanas gaitā, ir jāpieņem "kolonnu zuduma scenāriji" un jānodrošina, ka pat viena vai vairāku kolonnu zuduma gadījumā apkārtējās sijas un kolonnas pārdala slodzi tā, lai tā neizraisītu pilnīgu sabrukumu. Piemēram, ja centrālajā daļā pirmajā stāvā tiek zaudēta kolonna, kolonnām un sijām abās pusēs ir jānes un jāpārnes kolonnas slodze, ko iepriekš atbalstīja šī kolonna, un tām ir nepieciešama pietiekama izturība un elastība (spēja deformēties), lai pretotos novirzei.
Kopš Pasaules tirdzniecības centra incidenta ir atkārtoti izvērtēts, kā nepietiekama projektēšanas rezerve, kas radusies uz izmaksu samazināšanu vērstas optimizācijas, savienojuma metožu pārmērīgas izmantošanas un pārmērīgas paļaušanās uz precīzu analīzi rezultātā, var radīt riskus konstrukcijas drošībai. Projektēšanas fāzē kritiski svarīga ir kļuvusi projektēšanas rezervju nodrošināšana izturībai un elastībai, kas darbojas kā "otrā aizsardzības līnija", un alternatīvu slodzes ceļu nodrošināšana.
Secinājumi
Lai gan Pasaules tirdzniecības centra sabrukšana bija sarežģīts notikums, galvenais ir tas, ka trieciena radītie lokalizētie bojājumi apvienojumā ar masīvu ugunsgrēku novājinātajiem konstrukcijas elementiem izraisīja augšējā stāva masas brīvu krišanu. Tā kā apakšējā konstrukcija nevarēja absorbēt šo kinētisko enerģiju, tas izraisīja kaskādes sabrukumu. Pat vienkārši Ņūtona mehānikas jēdzieni, piemēram, impulsa nezūdamības likums un enerģijas līdzsvars, var izskaidrot šīs sarežģītās parādības būtību.
Galu galā galvenā mācība ir tāda, ka gravitācija ir "terminators", un ēka sabrūk, kad tiek izjaukts spēku līdzsvars pret gravitāciju. Tāpēc projektētājiem vienmēr jāpatur prātā konstrukcijas integritāte, alternatīvi slodzes ceļi un pietiekamas drošības rezerves, lai novērstu lokalizētu bojājumu izplatīšanos līdz pilnīgai sabrukšanai.
