Чому інженерів навчили теракти 11 вересня

Башти-«близнюки» Світового торговельного 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 за 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 зіштовхнулися ще за шість років до терактів 11 вересня, під час 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 Ши-хе Чжао (Shih-Ho Chao). Наводимо переклад колонки для видання The Conversation.

Коли будинки обрушуються та гинуть сотні, а то й тисячі людей – це страшна трагедія. Але це ще й важлива інженерна проблема. Руйнування внаслідок теракту в Оклахома-Сіті у 1995 році будівлі Альфреда Марра та веж Світового торговельного центру у 2001 році породило потік присяг та запевнень у тому, що такі події більше не повторяться ніколи в майбутньому. Для інженерів-будівельників на зразок мене це означало, що ми повинні розібратися в тому, що сталося, і з'ясувати, як ми можемо підвищити здатність будівель витримувати терористичні атаки.

Теракт, внаслідок якого в Оклахома-Сіті було підірвано дев'ятиповерховий залізобетонний адміністративний будинок Марра, показав, що пошкодження навіть невеликої кількості несучих конструкцій може призвести до того, що називається «прогресуючим обвалом» (progressive collapse).

Вибух у вантажівці, припаркованій біля будівлі Марра 19 квітня 1995 року, не знищив її конструкцію цілком, але пошкодив її ключові елементи. Вибуху не витримали лише кілька несучих колон. Як тільки вони впали, непошкоджені колони деякий час утримували будинок на собі, але не всі з них були здатні витримати додаткове навантаження, тому приблизно половина будівлі обрушилася. Незважаючи на те, що значна частина будівлі встояла, 268 людей загинули в момент вибуху, а також в частинах будівлі, що обрушилися, які не могли більше підтримувати самі себе. (Через місяць після теракту решту будівлі було знесено; на цьому місці зараз знаходиться меморіал).

За схожим сценарієм розвивалися події перед обвалом веж Світового торговельного центру 11 вересня 2001 року, де загинуло близько трьох тисяч людей. Вони обидві встояли під ударами авіалайнерів, але під впливом високих температур від авіаційного палива, що горить, сталеві колони в обох вежах втратили міцність і «переклали» на інші елементи конструкції занадто велике навантаження. І зрештою обидві вежі обрушилися, поховавши під собою безліч людей.

До цих терактів більшість проектувальників не враховували ризику прогресуючого обвалення — це явище було погано вивчене і будівельники рідко з ним стикалися. Після 2001 року ми почали сприймати прогресуючий обвал як найважливішу загрозу. І ми знайшли два головні способи знизити його ймовірність і зменшити масштаб руйнувань, якщо колапс все ж таки відбудеться: 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 та балок, навіть коли вони знаходяться під великим навантаженням та деформовані. Ця властивість називається пластичністю (ductility), її високий рівень дозволяє знизити ризик прогресуючого обвалення. На цей параметр завжди звертають увагу під час будівництва в сейсмонебезпечних зонах.

Справді, багато років будівельні правила Американського товариства цивільних інженерів, Американського інституту сталевих конструкцій та 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 обвалу від сейсмічних поштовхів. Однак недостатньо прийняти ці норми і очікувати, що вони автоматично зменшать збитки від терористичних актів: підземні поштовхи впливають на будівлі зовсім інакше, ніж вибухи, які відбуваються поруч.

Інший ключовий елемент, який проектувальники повинні враховувати, — це резервування. Як спроектувати та зробити арматуру для опорних балок та колон так, щоб, скажімо, втрата зовнішньої колони не призвела до повного руйнування всієї конструкції. Існує мало стандартів резервування підвищення стійкості до вибухів, але Національний інститут будівельних наук розробив деякі такі рекомендації.

Зробити бетон міцнішим

Матеріали, з яких збудовані будинки, не менш важливі, ніж їх конструкція. Сталеві колони веж Світового торгового центру почали стрімко втрачати міцність, коли під час пожежі їхня температура досягала 400 градусів за Фаренгейтом (близько 200 градусів за Цельсієм). Бетон теж розігрівався до таких температур, але незважаючи на це, не зазнавав при цьому значних хімічних чи фізичних змін. Бетон при нагріванні зберігає більшу частину своїх механічних властивостей. Іншими словами, бетон - майже вогнетривкий матеріал.

Будівля Світового торгового центру 1, побудована поряд із місцем, де стояли «вежі-близнюки», була спроектована з урахуванням цієї переваги бетону. Головна несуча конструкція будівлі — залізобетонні стіни завтовшки три фути (0,91 метра), які тягнуться по всій висоті. Крім того, що ці стіни містять велику кількість спеціально розробленої арматури, вони виготовлені з міцного бетону.

Вибух створює дуже високий тиск — наскільки високим він буде у конкретній точці, залежить від потужності самого вибуху та дистанції від центру детонації. Тиск створює потужну напругу 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 Світового торгового центру 1, має міцність на стиск у 12000 фунтів на квадратний дюйм (83 мегапаскаля). Використання матеріалознавчих розробок дозволяє щільніше запакувати частинки бетону, і ще більше збільшити міцність - до 30000 фунтів на квадратний дюйм (207 мегапаскалів).

Поліпшити армування

Насамперед арматура традиційного залізобетону представляла просто каркас із сталевих прутів усередині конструкції. Але останніми роками і в цій галузі з'явилися нові ідеї. Наприклад, для підвищення міцності та вибухостійкості бетону, в нього підмішують мільйони високоміцних голчастих сталевих мікроволокон. Вони утворюють зв'язки з бетоном і запобігають появі та росту тріщин, які виникають через вибух або інше екстремальне навантаження.

Ця суміш сталі та бетону дуже міцна та пластична. Дослідження показало, що цей матеріал, надвисокоефективний армований волокнами бетон, є надзвичайно вибухостійким. Ми можемо очікувати, що майбутні проектувальники та 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 подібним трагедіям у майбутньому.