Всемирный торговый центр: Причины разрушения здания после атаки 9/11 - Строительство и ремонт

Комплекс Всемирного торгового центра (ВТЦ) состоял из семи зданий (ВТЦ-1 – ВТЦ-7), расположенных на юго-западной оконечности острова Манхэттен. Два здания, ВТЦ-1 и ВТЦ-2, построенные в начале 1970-х годов, были высотой 110 этажей, затмевая другие небоскребы в Нижнем Манхэттене. Оба здания были главным центром комплекса ВТЦ и были выше, чем любое другое здание в мире в то время.

ВТЦ-1 и ВТЦ-2 были уникальными во многих отношениях, и их строительство привело к огромному увеличению коммерческих офисных помещений открытой планировки. Ключевые конструктивные системы ВТЦ-1 и ВТЦ-2 включали внешнюю каркасно-трубчатую систему, основную конструкцию, которая воспринимала гравитационные нагрузки, составные фермы перекрытий, поддерживаемые внешними и основными колоннами, и шляпную ферму, которая распределяла нагрузки между основными и внешними колоннами в верхней части зданий.

11 сентября 2001 года в северное здание (ВТЦ-1) врезался самолет Boeing 767, перевозивший 10 000 американских галлонов топлива и летевший со скоростью 470 миль в час по северной стороне между 94-м и 98-м этажами. Через пятнадцать минут в южное здание (ВТЦ-2) врезался еще один Boeing 767 с 10 000 американских галлонов топлива, летевший со скоростью 586 миль в час, с южной стороны в направлении юго-восточного угла между 78-м и 84-м этажами.

Оба ВТЦ-1 и ВТЦ-2 были спроектированы таким образом, чтобы противостоять двухчасовому пожару для открытого каркаса перекрытий и трехчасовому – для секций колонн. Однако воздействие самолета было настолько огромным, что система противопожарной защиты сработала неправильно.

Прочность стали постепенно снижалась по мере распространения пламени, и обрушение стало неизбежным. ВТЦ-2 рухнул через 56 минут после столкновения с самолетом, в то время как ВТЦ-1 рухнул через 102 минуты.

Соединение ферм перекрытия, выполненное с помощью шипов и болтов, разрушилось из-за потери прочности. Это привело к необузданному поведению колонн, что в конечном итоге привело к их обрушению.

Обрушение зданий-близнецов Всемирного торгового центра

Значительное количество окружающих конструкций получило значительные повреждения, однако они не разрушились. Здания-близнецы тоже простояли достаточно долго, чтобы каждый человек, имевший беспрепятственный путь, смог выбраться наружу.

В этой статье в основном описывается конструкция сооружения и причины его разрушения из-за пожара после попадания самолетов.

1. Дизайн Всемирного торгового центра

Строительство ВТЦ началось в 1960 году и было завершено в течение пяти лет. При строительстве небоскреба был использован новый подход, при котором легкие материалы и модульные методы строительства позволили ускорить сроки и сократить расходы на строительство. Ниже приводится описание конструкции ВТЦ:

Ширина и высота над уровнем земли каждого здания составляли 61 м и 411 м соответственно. Отношение высоты к ширине составляло 6,8.

После строительства общий вес каждого здания составлял 500 000 тонн.

Из-за высоты здания ветровая нагрузка определяла конструкцию, а не гравитационная.

Каждое здание было рассчитано на скорость ветра и ветровую нагрузку 225 км/ч и 2 кПа, соответственно. В результате общая боковая сила составила 5 000 тонн.

Чтобы противостоять такой огромной боковой силе, была принята легкая конструкция из труб по периметру. Конструкция периметральной трубы состояла в общей сложности из 244 наружных колонн. Каждая колонна была построена из стальной коробки площадью 0,36 м2 с межосевым расстоянием 100 см.

Внутри трубы была построена несущая стена размером 27 м x 40 м для поддержания собственного веса конструкции.

Для соединения основной стены с трубой на каждом этаже были предусмотрены балки высотой 80 см.

Поверх этих балок были сооружены железобетонные плиты для создания перекрытий здания. Кроме того, при строительстве зданий-близнецов использовался метод “яйцевидного крата” (перекрытия здания строятся без колонн и стен), которые на 95% состояли из воздуха. Это объясняет, почему после обрушения здания на уровне земли оказались лишь обломки высотой в несколько этажей.

Метод строительства “яйцевидный кратер” сделал здания ненужными. Короче говоря, в любом случае, если несколько колонн выйдут из строя вместе, то нагрузка от этих колонн передастся на соседние колонны. Таким образом, конструкция останется устойчивой.

До строительства ВТЦ небоскребы строились с использованием огромного количества каменных колонн, расположенных на расстоянии 5 м друг от друга. ВТЦ был очень легкой стальной конструкцией, а его подход к трубам по периметру с использованием метода “яйцевидного крата” сделал здание одним из самых устойчивых и избыточных.

Структурная система зданий Всемирного торгового центра

2. Воздействие самолетов на Всемирный торговый центр

11 сентября 2001 года в здания-близнецы ВТЦ врезались самолеты. Удар был настолько сильным, что привел к обрушению ВТЦ. Ниже описано воздействие самолета на ВТЦ:

Здания выдержали первоначальный удар самолета, потому что они были спроектированы так, чтобы выдерживать ветровую нагрузку, более чем в 30 раз превышающую вес самолета. Кроме того, здания были спроектированы таким образом, чтобы выдержать мертвую нагрузку, более чем в 1000 раз превышающую вес самолета.

В день атаки интенсивность ветра была очень слабой. Поэтому внешние колонны зданий-близнецов были напряжены только на одну треть.

Килевая балка в нижней части фюзеляжа самолета была единственным компонентом самолета, который имел большую прочность, чем внешние колонны ВТЦ.

Несомненно, удар самолета привел к разрушению нескольких колонн на внешней стороне зданий-близнецов. Однако здания-близнецы имели высокую степень резервирования, поэтому конструкция не разрушилась сразу, так как нагрузка от разрушившихся колонн была передана на соседние колонны.

Основным происшествием при столкновении с самолетом стал взрыв 10 000 американских галлонов топлива. Этот взрыв вызвал пожар внутри зданий. Вес топлива составлял одну треть от веса самолета, строение могло бы пережить удар самолета, но пожар ухудшил его состояние. Таким образом, пожар стал основным фактором разрушения конструкции.

3. Главная причина обрушения Всемирного торгового центра

Пожар – самый неверно оцененный аспект разрушения ВТЦ. Даже сегодня СМИ (и многочисленные исследователи) утверждают, что ВТЦ разрушился из-за плавления стали, что не является веской причиной.

Основная проблема заключается в том, что большинство людей путают термины “температура” и “тепло”. Хотя оба термина связаны, но определенно не являются эквивалентом друг друга.

В термодинамике теплота материала связана с температурой посредством емкости и плотности тепла. Температура характеризуется как интенсивное свойство, подразумевающее, что она не изменяется с количеством материала. Одновременно тепло характеризуется как экстенсивное свойство, которое изменяется с количеством материала.

Один из подходов к различению этих двух свойств заключается в том, что, например, если в камин добавить дополнительное полено, температура огня не удвоится и останется прежней. Однако период времени и размер огня удваиваются. Таким образом, во время столкновения самолета на этажах зданий-близнецов находилось более 10 000 галлонов реактивного топлива. Количество реактивного топлива не связано с температурой. Температура пожара была не слишком значительной и, несомненно, не могла расплавить сталь.

Обычно температура размягчения конструкционной стали составляет 4250C. При температуре 6500C конструкционная сталь теряет свою прочность наполовину. Однако потери 50% прочности стали недостаточно для того, чтобы вызвать обрушение ВТЦ. Кроме того, из-за низкой интенсивности ветра в день удара внешние колонны зданий-близнецов были напряжены только на одну треть мощности. При таком пределе прочность конструкционной стали составляла более 70% от ее предельной прочности. Даже если прочность стали снизится до 50%, она будет сопротивляться более чем двукратному напряжению, вызванному пожаром при температуре 6500C.

Конструкционная сталь зданий Всемирного торгового центра

Дополнительной проблемой было скручивание стали во время пожара. Температура пожара не была равномерной по всей площади, и наружная температура секций колонн была ниже, чем внутренняя температура из-за пожара. Разница в температурном режиме вызвала остаточные напряжения в конструкционной стали, что привело к деформации конструкционной стали и смятию стальных элементов.

Таким образом, конструкционная сталь разрушилась из-за двух переменных. Первая связана с потерей прочности стали из-за температуры пожара. Вторая – потеря устойчивости конструкции из-за скручивания стали в результате неравномерности температуры пожара.

4. Был ли Всемирный торговый центр спроектирован дефектно?

Конструкция ВТЦ не была дефектной. Ни один инженер-строитель даже в самых смелых мечтах не представлял себе 10 000 американских галлонов топлива на полу зданий-близнецов. Как правило, все небоскребы проектируются таким образом, чтобы противостоять трехчасовому пожару в случае, если спринклерная система не сработает, чтобы все обитатели здания могли быть эвакуированы в течение этих трех часов. Однако здания-близнецы ВТЦ противостояли огню в течение одного-двух часов, что меньше проектного значения, поскольку пожарная нагрузка была огромной. Огонь внутри зданий-близнецов ВТЦ распространился на 4 000 м2 за доли секунд. Обычно такого не происходит ни в одном офисном здании.

Обычно пожар распространяется за один-два часа по ширине и высоте здания, но в случае с ВТЦ это было не так. Пожар был масштабным, быстро распространился по зданию и вызвал разрушение конструкции.

Здания Всемирного торгового центра до обрушения

5. Будущее зданий после разрушения Всемирного торгового центра

После катастрофы ВТЦ в коды проектирования зданий было внесено несколько изменений. Например, была усовершенствована система аварийной связи. Также были включены отдельные положения по повышению устойчивости путей эвакуации. Для защиты жильцов от вдыхания дыма было принято еще несколько положений. При проектировании высоких небоскребов также учитывались материалы с высокой энергопоглощающей способностью.

Здания Всемирного торгового центра после обрушения

Часто задаваемые вопросы

Какова была высота башен Всемирного торгового центра?

Высота башен Всемирного торгового центра составляла 411 м.

Почему обрушился Всемирный торговый центр?

Всемирный торговый центр рухнул из-за пожара, возникшего в результате удара самолета по зданиям-близнецам. В результате пожара конструкционная сталь потеряла свою прочность, что привело к обрушению конструкции.

Какой метод проектирования был использован при строительстве Всемирного торгового центра?

При строительстве Всемирного торгового центра был использован метод проектирования “яйцевидный кратер”.

Мост Золотые Ворота: Строительство одного из самых длинных подвесных мостов в мире

Тоннель под Ла-Маншем: Строительство самого длинного в мире подводного тоннеля

Статуя Единства: Структурные и строительные особенности самой высокой статуи в мире

Читайте далее: