Чому інженерів навчили теракти 11 вересня
Башни- «близнюки» Всесвітнього торгового центру в Нью-Йорку обрушилися не відразу після того, як вранці 11 вересня 2001 року в них врізалися два пасажирські «Боїнги». Північна вежа повністю зруйнувалася через півтори години, південна протрималася трохи більше 55 хвилин. Ця пауза дозволила конспірологам говорити, що хмарочоси впали не через теракт, а, наприклад, через підрив заздалегідь закладеної вибухівки. Інженерне розслідування цих подій показало, що вежі стали жертвою прогресуючого обвалення - явища, з яким США в порівнянному масштабі зіткнулися ще за шість років до терактів 11 вересня, при вибуху будівлі в Оклахома-Сіті. Про те, які питання ставили проектувальники після терактів у Нью-Йорку, як вони змінили будівельні технології розповідає професор Університету Техасу в Арлінгтоні Ші-хе Чжао (Shih-Ho Chao). Наводимо переклад його колонки для видання The Conversation.
Коли будівлі обрушуються і гинуть сотні, а то й тисячі людей - це страшна трагедія. Але це ще й важлива інженерна проблема. Руйнування в результаті теракту в Оклахома-Сіті 1995 року будівлі Альфреда Марра і веж Всесвітнього торгового центру 2001 року породило потік клятв і запевнень у тому, що такі події більше не повторяться ніколи в майбутньому. Для інженерів-будівельників начебто мене це означало, що ми повинні розібратися в тому, що сталося, і з'ясувати, як ми можемо підвищити здатність будівель витримувати терористичні атаки.
Теракт, в результаті якого в Оклахома-Сіті було підірвано дев'ятиповерхову залізобетонну адміністративну будівлю Марра, показав, що пошкодження навіть невеликого числа несучих конструкцій може призвести до того, що називається «прогресуючим обваленням» (progressive collapse).
Вибух у вантажівці, припаркованій біля будівлі Марра 19 квітня 1995 року, не знищив його конструкцію цілком, але пошкодив його ключові елементи. Вибуху не витримали лише кілька несучих колон. Як тільки вони впали, неушкоджені колони деякий час утримували будівлю на собі, але не всі з них були здатні витримати додаткове навантаження, тому в підсумку приблизно половина будівлі обрушилася. Незважаючи на те, що значна частина будівлі встояла, 268 людей загинули в момент вибуху, а також в обвалених частинах будівлі, які не могли більше підтримувати самі себе. (Через місяць після теракту частина будівлі, що залишилася, була знесена; на цьому місці зараз знаходиться меморіал).
За схожим сценарієм розвивалися події перед обваленням веж Всесвітнього торгового центру 11 вересня 2001 року, де загинуло близько трьох тисяч осіб. Вони обидві встояли під ударами авіалайнерів, але під впливом високих температур від палаючого авіаційного палива, сталеві колони в обох вежах втратили міцність і «переклали» на інші елементи конструкції занадто велике навантаження. І зрештою обидві вежі обрушилися, погребши під собою безліч людей.
До цих терактів більшість проектувальників не враховували ризик прогресуючого обвалення - це явище було погано вивчено і будівельники рідко з ним стикалися. Після 2001 року ми стали сприймати прогресуюче обвалення як найважливішу загрозу. І ми знайшли два головних способи знизити його ймовірність і зменшити масштаб руйнувань, якщо колапс все ж станеться: по-перше, посилити саму конструкцію, зробивши її більш вибухостійкою, і, по-друге, збільшити міцність самих конструкційних матеріалів.
Запозичити ідеї у захисників від землетрусів
Дослідження показали, що є способи зберігати міцність колон і балок, навіть коли вони знаходяться під великим навантаженням і деформовані. Ця властивість називається пластичністю (ductility), її високий рівень дозволяє знизити ризик прогресуючого обвалення. На цей параметр завжди звертають увагу при будівництві в сейсмонебезпечних зонах.
Насправді, багато років будівельні правила Американського товариства цивільних інженерів, Американського інституту сталевих конструкцій і Американського інституту бетону вимагали проектувати несучі конструкції з такою пластичністю, щоб вони витримували землетрус, який за сейсмічним прогнозом міг статися в регіоні лише раз на дві тисячі років. Ці вимоги мали б запобігти обваленням від сейсмічних поштовхів. Однак недостатньо прийняти ці норми і очікувати, що вони автоматично знизять збитки від терористичних актів: підземні поштовхи впливають на будівлі зовсім інакше, ніж вибухи, що відбуваються поруч.
Інший ключовий елемент, який проектувальники повинні враховувати - це резервування. Як спроектувати і зробити арматуру для опорних балок і колон так, щоб, скажімо, втрата зовнішньої колони не призвела до повного руйнування всієї конструкції. Існує мало стандартів резервування для підвищення стійкості до вибухів, але Національний інститут будівельних наук розраблотав деякі такі рекомендації.
Зробити бетон міцнішим
Матеріали, з яких побудовані будівлі, не менш важливі, ніж їх конструкція. Сталеві колони веж Всесвітнього торгового центру почали стрімко втрачати міцність, коли під час пожежі їх температура сягала 400 градусів за Фаренгейтом (близько 200 градусів за Цельсієм). Бетон теж розігрівався до таких температур, але незважаючи на це, не відчував при цьому значні хімічні або фізичні зміни. Бетон при нагріванні зберігає більшу частину своїх механічних властивостей. Іншими словами, бетон - практично вогнетривкий матеріал.
Будівлю Всесвітнього торгового центру 1, побудовану поруч з місцем, де стояли «вежі-близнюки», було спроектовано з урахуванням цієї переваги бетону. Головна несуча конструкція будівлі - залізобетонні стіни товщиною в три фути (0,91 метра), які тягнуться по всій висоті. Крім того, що ці стіни містять велику кількість спеціально розробленої арматури, вони виготовлені з високоміцного бетону.
Вибух створює дуже високий тиск - наскільки високим він буде в конкретній точці, залежить від потужності самого вибуху і дистанції від центру детонації. Тиск створює потужні напруги в товщі бетонних конструкцій, які можуть зруйнуватися, якщо міцність виявиться недостатньою.
Стандартний бетон може витримати тиск від 3000 до 6000 фунтів на квадратний дюйм (від 21 до 41 мегапаскаля). Бетон, використаний для Всесвітнього торгового центру 1, має міцність на стиснення в 12000 фунтів на квадратний дюйм (83 мегапаскалі). Використання матеріалознавчих розробок дозволяє більш щільно упакувати частинки бетону, і ще більше збільшити міцність - до 30000 фунтів на квадратний дюйм (207 мегапаскалей).
Покращити армування
Раніше арматура традиційного залізобетону представляла просто каркас зі сталевих прутів всередині конструкції. Але в останні роки і в цій галузі з'явилися нові ідеї. Наприклад, для підвищення міцності і вибухостійкості бетону, в нього підмішують мільйони високоміцних голкових сталевих мікрохвилокон. Вони утворюють зв'язки з бетоном і запобігають появі і зростанню тріщин, які виникають через вибух або інше екстремальне навантаження.
Ця суміш сталі і бетону дуже міцна і пластична. Дослідження показало, що цей матеріал, надвисокоефективний армований волокнами бетон, надзвичайно вибухоустійливий. Ми можемо очікувати, що майбутні проектувальники і будівельники будуть використовувати цей матеріал для захисту будівель від терористичних атак. Це лише один із способів, за допомогою якого ми можемо зробити внесок у запобігання подібних трагедій у майбутньому.