Прогрессирующее обрушение зданий на примере разрушения башен всемирного торгового центра в Нью-Йорке
Главная » Статьи » Защита от ЧС (РСЧС)

Прогрессирующее обрушение зданий на примере разрушения башен всемирного торгового центра в Нью-Йорке

20 лет прошло с тех трагических событий. Разрушение башен Всемирного торгового центра (WTC)[1] в Нью-Йорке в результате террористических актов 11 сентября 2001 года – пример самого катастрофического прогрессирующего обрушения зданий по числу погибших и материальному ущербу.

Две главные башни комплекса WTC были поражены угнанными авиалайнерами. Южная башня 2 WTC обрушилась в 09:59, через час после того, как в нее врезался самолет, Северная башня 1 WTC последовала за ней в 10:28. Также в результате стихийно возникших пожаров в 17:20 обрушилась башня 7 WTC.

В общей сложности погибли 2751 человек, включая 157 пассажиров и членов команды на борту обоих самолетов. Обрушение башен нанесло серьезный урон строениям комплекса WTC, а также окружающим зданиям.

Федеральное агентство чрезвычайных ситуаций США (FEMA) изучило обстоятельства трагедии. Ведомство признало, что конструкция башен WTC соответствовала требованиям, разрушение башен объясняется действием чрезвычайных факторов, находящихся вне возможностей контроля проектировщиков и строителей. Агентство пришло к выводу, что разрушение было вызвано ослаблением конструкций, поддерживающих перекрытия этажей. В тот момент, когда поддерживающие фермы на этажах зоны удара отделились от центральных опорных колонн, верхние этажи стали падать на нижние, и здание «сложилось».

Выводы FEMA впоследствии были уточнены в процессе завершившегося в сентябре 2005 года более детального расследования, произведенного Национальным институтом стандартов и технологий (NIST). Так же как и FEMA, NIST не имел претензий к конструкции башен WTC, отмечая, что сами атаки, а также величина нанесенных зданиям повреждений были далеко за пределами всего того, что когда-либо происходило в США. NIST объяснял разрушение башен тем, что оседающий пол (точнее, перекрытие) загнул внутрь внешние колонны здания, что вызвало обрушение верхних этажей.

Габариты сооружения в плане 63,4×63,4 м, ядра жесткости – 26,8×42,1 м. Башни WTC были сконструированы по типу «труба в трубе» (стволовая конструктивная схема), для того, чтобы создать на этажах непрерывное пространство, не разделенное стенами или колоннами. Это было достигнуто за счет того, что наружная стена башни фактически представляла собой множество установленных рядом колонн, воспринимающих основную вертикальную нагрузку, в то время как ветровая нагрузка приходилась в основном на силовые колонны, находящиеся в центре башни (ядро жесткости). Начиная с десятого этажа, каждая стена башни была составлена из 59 колонн, в центре башни было установлено 49 силовых колонн. Все лифты и лестничные клетки проходили в ядре жесткости, оставляя между ядром и периметром башни большое свободное пространство для размещения офисов.

Конструкция этажного перекрытия представляла собой 10 см легкого бетона, уложенного на несъемную опалубку из профилированного настила. Профнастил укладывался на второстепенные (вспомогательные) фермы, опирающиеся на главные фермы, передающие нагрузку на центральные и крайние колонны. Главные фермы имели длину 11 и 18 метров (в зависимости от пролета), укладывались с шагом 2,1 м, и были с внешней стороны прикреплены к перемычкам, соединяющим крайние колонны на уровне каждого этажа, а с внутренней – к центральным колоннам. Пол крепился через эластичные демпферы, призванные снижать воздействие колебаний здания на работающих в нем людей.

Каждая башня также имела дополнительную структуру усиления верхней части, включавшую верхние фермы и консольные фермы, расположенные между 107-м и 110-м этажами, которые состояли из шести ферм вдоль длинной оси (ядра) и четырех вдоль короткой оси, которая служила для повышения общей устойчивости здания и перераспределения нагрузки от шпиля антенны, которая была установлена только на одну из башен. NIST установил, что эта конструкция сыграла ключевую роль в последовательности событий, приведших к полному разрушению башен.

 

Возможности противостояния пожару и попаданию самолетов

Как и все современные высотные здания, башни WTC проектировались и строились в расчете на противостояние обычному пожару. Многие противопожарные элементы закладывались еще на этапе проектирования и строительства, другие были добавлены после пожара 1975 года, который охватил шесть этажей, прежде чем был локализован и потушен. Произведенные еще до катастрофы тесты показывали, что стальные конструкции башен соответствуют существующим требованиям по огнестойкости или даже превосходят их.

Инженеры по строительным конструкциям, проектировавшие Всемирный торговый центр, учитывали возможность того, что со зданием может столкнуться самолет. В июле 1945 года бомбардировщик B-25 Mitchell потерял ориентацию в тумане и врезался в 79-й этаж Эмпайр-стейт-билдинг. Годом позже двухмоторный самолет C-45 Beechcraft столкнулся с небоскребом на Уолл-стрит, 40, а другой самолет был близок к еще одному столкновению с Эмпайр-стейт-билдинг.

NIST заявлял, что «Американские стандарты строительства не содержат требований к устойчивости зданий при попадании в них самолета и таким образом, здания не проектируются с расчетом на противостояние удару полностью заправленного коммерческого авиалайнера.».

Тем не менее конструкторы и архитекторы WTC обсуждали эту проблему и признавали ее важность. Лесли Робертсон, один из главных инженеров Всемирного торгового центра, вспоминал, что рассматривался сценарий попадания в здание реактивного авиалайнера Boeing 707, потерявшего ориентацию в тумане и летящего на относительно низкой скорости в поисках аэропорта имени Джона Кеннеди или аэропорта Ньюарк Либерти. Джон Скиллинг, другой инженер WTC, говорил в 1993 году, что его подчиненные проводили анализ, который показал, что самой большой проблемой в случае столкновения лайнера Boeing 707 с одной из башен WTC станет попадание большой массы топлива внутрь здания, что приведет к «страшному пожару» и множеству человеческих жертв, но само здание останется стоять. FEMA писала, что здания WTC строились с учетом столкновения с реактивным авиалайнером Boeing 707, весящим 119 тонн и летящим при этом на низкой скорости около 290 км/ч, что намного меньше по весу и по скорости, чем те самолеты, которые были использованы в атаках 11 сентября.

NIST обнаружил в архивах трехстраничный доклад, суммирующий исследование, моделировавшее попадание в здание Boeing 707 или Douglas DC-8 на скорости 950 км/ч. Исследование показывало, что здание не должно разрушиться в результате такого попадания. Но, как отмечали эксперты NIST, «исследование 1964 года не содержало моделирования эффекта пожара, вызванного распылением авиационного топлива по зданию». Другим документом, найденным NIST, было вычисление периода колебаний здания в случае попадания самолета в 80-й этаж башни WTC, но в нем не было сделано никаких предположений о судьбе здания после столкновения. В отчете об оценке имущественного риска, подготовленного для Silverstain Properties, случай попадания самолета в башни WTC рассматривался как маловероятный, но возможный. Авторы отчета ссылались на инженеров по строительным конструкциям WTC, по мнению которых башни должны были выстоять в случае столкновения крупного пассажирского самолета, но горящее топливо, стекающее из самолета до уровня земли, повредило бы обшивку здания.

 

Попадание самолетов в башни

Террористы направили в башни два реактивных авиалайнера Boeing 767. Северная башня (1 WTC) была поражена в 8:46 между 93 и 99 этажами. В Южную башню (2 WTC) в 9:03 самолет врезался между этажами 77 и 85.

Авиалайнер Boeing 767-200 имеет длину 48,5 м, размах крыльев 48 м, несет на борту от 62 до 91 тонн авиационного топлива. Самолеты врезались в башни на очень большой скорости. Рейс 11 летел со скоростью примерно 700 км/ч в тот момент, когда он врезался в Северную башню; рейс 175 врезался в южную на скорости около 870 км/ч. В дополнение к тому, что попадания привели к серьезным разрушениям несущих колонн, они вызвали взрыв приблизительно 38 тонн авиационного топлива в каждой башне, что привело к почти мгновенному распространению сильного пожара на нескольких этажах, где находилась офисная мебель, бумага, ковровые покрытия, книги и другие горючие материалы. Ударная волна от попадания в Северную башню распространилась вниз до первого этажа, как минимум по одной шахте скоростного лифта, выбила стекла на первом этаже, отчего пострадало несколько человек.

 

Пожар

Легкая конструкция башен и отсутствие сплошных стен и перекрытий привели к тому, что авиационное топливо распространилось в достаточно большом объеме зданий, приведя к многочисленным возгораниям на нескольких этажах, близких к зонам попадания самолетов. Само авиационное топливо выгорело в течение нескольких минут, но горючие материалы в самом здании поддерживали интенсивные пожары еще в течение часа или полутора. Возможно, что если бы на пути самолетов оказались более традиционные конструкции, то пожары не были бы настолько централизованными и интенсивными – обломки самолетов и авиационное топливо могли остаться преимущественно в периферийной области здания, а не проникнуть непосредственно к его центральной части. В этом случае башни, возможно, устояли бы или во всяком случае, простояли бы существенно дольше.

 

Развитие ситуации

Звонки запертых на верхних этажах башен людей в службу 9-1-1 дают некоторое представление о дальнейшем развитии ситуации. В 9:37 в службу позвонил человек, находящийся на 105 этаже южной башни, и сообщил, что этажи под ним «в районе 90-х этажей» обрушились.

Перегрузка диспетчеров и плохая работа коммуникаций привели к тому, что пожарный и полицейский департаменты Нью-Йорка испытывали большие проблемы с обеспечением своевременного взаимодействия, как со своими подразделениями, так и друг с другом. В результате пожарные команды, находившиеся в башнях, не получили приказа об эвакуации и при обрушении зданий погибло 343 пожарных.

 

Обрушение башен WTC

В 9:59 обрушилась Южная башня, через 56 минут после удара. Северная башня простояла до 10:28, 102 минуты после попадания в нее самолета. Обрушившиеся башни создали огромное облако пыли, которое покрыло значительную часть Манхэттена. В обоих случаях произошел похожий процесс, верхняя поврежденная часть здания обрушилась на нижние этажи. Обе башни упали практически вертикально, хотя наблюдалось значительное отклонение от вертикали верхней части Южной башни.

 

Механизм обрушения башен

Расследование NIST показало, что по причине того, что самолеты попали в башни неодинаковым образом, процесс разрушения Северной и Южной башни также несколько отличался, хотя в целом был похожим. После попадания самолетов, были серьезно повреждены внутренние силовые колонны, хотя внешние колонны пострадали относительно слабо. Это вызвало серьезное перераспределение нагрузки между ними. Значительную роль в этом перераспределении сыграла верхняя силовая структура башен, вес которой теперь приходился преимущественно не на внутренние, а на периферийные колонны.

Попавшие в здания самолеты ободрали огнеупорное покрытие со значительной части стальных конструкций, что привело к тому, что они оказались под непосредственным воздействием огня. За 102 минуты, предшествовавшие падению Северной башни, температура пожара, хотя и была значительно ниже точки плавления металла, достигла достаточной величины, чтобы вызвать ослабление силовых колонн в центре здания, которые стали деформироваться и изгибаться под весом верхних этажей.

Похожая ситуация была и в Южной башне (были серьезно повреждены внутренние силовые колонны). Периферийные колонны и структуры пола обеих башен были ослаблены огнем, что вызвало оседание пола на поврежденных этажах и создание значительной нагрузки на периферийные колонны, направленной внутрь здания.

В 9:59, через 56 минут после удара, оседающий пол вызвал серьезное изгибание внутрь внешних колонн на восточной стороне Южной башни, верхняя силовая структура передала это изгибающее усилие на центральные колонны, что вызвало их разрушение и начало коллапса здания, верхняя часть башни при этом отклонилась в сторону поврежденной стены. В 10:28 покоробилась южная стена Северной башни, что вызвало приблизительно такую же последовательность событий. В результате последовавшего коллапса верхних этажей полное разрушение башен стало неминуемым, из-за огромного веса той части зданий, которые находились выше зоны повреждений.

Причиной того, что Северная башня простояла дольше Южной, стало сочетание следующих трех факторов: зона попадания самолета в северную башню была выше (и вес верхней части здания, соответственно, меньше), скорость попавшего в башню самолета была ниже, кроме того, самолет попал на этажи, противопожарная защита которых была ранее частично улучшена.

 

Теория полного прогрессирующего коллапса

Огромное облако пыли закрыло разрушающиеся башни, что сделало невозможным установить точную продолжительность разрушения на основе визуальных свидетельств.

Поскольку отчет NIST касается в основном механизмов первоначального обрушения, он не затрагивает вопрос последующего за ним полного коллапса обеих башен WTC. Первоначальные анализы объясняли коллапс тем, что кинетическая энергия падающих верхних этажей была намного больше того, что могли выдержать межэтажные перекрытия, которые также разрушались, добавляя падающему зданию кинетической энергии. Этот сценарий развития событий повторялся со все увеличивающейся скоростью до тех пор, пока башни не разрушились полностью. Несмотря на то, что это наиболее широко распространенная среди строительных инженеров точка зрения, она критиковалась за то, что в ней не учитывается сопротивление низлежащих структур, которое должно было замедлить коллапс башен, или даже остановить его.

 

Обрушение здания 7 WTC

Комплекс WTC состоял из семи зданий, три из которых полностью обрушились в тот же день, когда произошли террористические атаки. В 17:20 обрушилось 47-этажное здание 7 WTC, располагавшееся через улицу от главных башен, оно стало третьим полностью разрушенным зданием WTC. В отличие от двух Башен-близнецов, обрушение 7 WTC было предсказано за несколько часов, и все люди из здания были эвакуированы. Падение 7 WTC расследовалось отдельно от падения 1 WTC и 2 WTC, и в июне 2004 года NIST выпустил рабочий отчет, в котором содержалось несколько гипотез произошедшего. Одной из гипотез стало разрушение одной из критически важных опорных колонн здания, вызванное пожаром или попаданием крупных обломков падающих башен, что привело к «диспропорциональному коллапсу всей структуры».

20 ноября 2008 года NIST опубликовал окончательный отчет по падению 7 WTC. В отчете NIST основной причиной разрушения назывался пожар вместе с отсутствием воды для борьбы с огнем у пожарных и в системе автоматического пожаротушения

 

Ход расследований

Разрушение башен WTC оказалось неожиданностью для строительных инженеров. «До 11 сентября, – писал журнал New Civil Engineer, – мы совершенно искренне не могли предположить, что строение такого масштаба может постигнуть подобная судьба». Несмотря на то, что повреждения от ударов самолетов были весьма серьезны, они затронули всего несколько этажей каждого здания. Для инженеров стало вызовом выяснить, каким образом подобные локальные повреждения стали причиной полного прогрессирующего коллапса трех, одних из самых больших в мире, зданий.

 

Авторитетность исследований

Сразу после катастрофы возникла ситуация неопределенности в том, кто имеет достаточный авторитет для проведения официального расследования. В противоположность той практике, которая существует при расследовании авиакатастроф, ясных процедур расследования обрушения зданий просто не существовало.

Через небольшое время после катастрофы на базе Института строительных инженеров (англ. Structural Engineers Institute (SEI)) и Американского общества гражданских инженеров (англ. American Society of Civil Engineers ASCE) была создана рабочая группа, куда также были привлечены специалисты Американского института стальных конструкций (англ. American Institute of Steel Construction), Американского института бетона (англ. American Concrete Institute), Национальной Ассоциации Противопожарной Защиты и Сообщества инженеров противопожарной защиты (англ. Society of Fire Protection Engineers). ASCE также пригласило присоединиться к работе этой группы Федеральное агентство по управлению в чрезвычайных ситуациях (FEMA).

Это расследование впоследствии критиковалось американскими инженерами и юристами, тем не менее авторитет вышеупомянутых организаций был достаточен для ведения расследования и для обеспечения доступа на место катастрофы для экспертов группы. Одним из наиболее острых моментов расследования стало то, что расчистка места катастрофы фактически привела к уничтожению оставшихся компонентов зданий. Действительно, когда NIST опубликовал свой финальный отчет, в нем была отмечена «нехватка физических свидетельств», которая стала одной из основных проблем расследования. Только доли процента останков здания остались доступными для расследования после окончания работ по расчистке, всего удалось собрать 236 отдельных стальных фрагментов.

FEMA опубликовало свой отчет в мае 2002 года. Несмотря на то, что NIST уже декларировал свою вовлеченность в расследование в августе того же года, в октябре 2002 года под нарастающим давлением общественности, требовавшей проведения более детального расследования, Конгресс принял билль о создании новой группы под управлением NIST, которая опубликовала свой отчет в сентябре 2005 года.

 

Теория FEMA «стопка блинов»

В своих ранних расследованиях FEMA разработало теорию, объясняющую коллапс башен WTC, названную «теорией стопки блинов». Согласно этой теории произошло разрушение соединения между поддерживающими пол фермами и колоннами здания, в результате чего пол провалился этажом ниже, создав для его конструкции нагрузки, на которые тот не был рассчитан. Некоторые отдельные публикации предлагали другие наборы факторов, вызвавших коллапс башен, но в целом большинство приняло эту теорию.

Основным ключевым фактором в данной теории оставались пожары. Томас Ига, профессор материаловедения MIT, описывал пожары как «наиболее непонятную часть коллапса башен WTC». Несмотря на то, что первоначально считалось, что пожары «расплавили» стальные конструкции, Ига заявил, что «температура пожаров в башнях WTC была необычно большой, но все же определенно недостаточной для того, чтобы вызвать расплавление или серьезное размягчение стали». Возгорание авиационного керосина как правило приводит к обширным пожарам, но эти пожары не имеют очень высокой температуры. Это привело Ига, FEMA и других исследователей к мнению, что существовала слабая точка, и этой точкой были названы крепления пола к несущим конструкциям здания. Из-за пожара эти крепления ослабли и, когда они разрушились под весом пола, начался коллапс. С другой стороны, отчет NIST полностью и недвусмысленно заявляет о том, что эти крепления не были разрушены. Мало того, именно их прочность и явилась одной из основных причин обрушения, поскольку через них на периферийные колонны было передано усилие, согнувшее колонны внутрь.

При температурах выше 400-500 °C происходит резкое снижение предела прочности и предела текучести (в 3-4 раза), при 600 °C они близки к нулю и несущая способность стали исчерпывается.

 

Отчет NIST

В результате нарастающего давления со стороны экспертов, лидеров строительной индустрии и членов семей погибших, возникшего после опубликования отчета FEMA, Национальный Институт Стандартов и Технологии (NIST) Департамента Коммерции провел трехлетнее расследование причин разрушения и коллапса башен WTC, стоившее 24 миллиона долларов.

Область исследования NIST была ограничена изучением вопроса о «последовательности событий от момента попадания самолета до начала обрушения каждой башни», а также включала в себя «небольшой анализ структурного поведения конструкции башни после того, как были достигнуты условия ее разрушения, и коллапс стал неизбежен». Так же, как и многие другие инженеры, занимавшиеся этим вопросом, эксперты NIST сосредоточились на попаданиях самолетов в башни, моделируя эффекты попаданий, такие как разрушение конструкций, распространение огня и т.д. с очень высокой степенью подробности. NIST разработал несколько очень высокодетализированных моделей различных компонентов здания, таких как поддерживающие пол перемычки, кроме того, были смоделированы здания целиком, но уже с меньшим уровнем детализации. Эти модели были статическими или квазистатическими, включали в себя моделирование деформаций, но не включали в себя моделирования движения структурных элементов после их рассоединения друг с другом. Таким образом, модели NIST полезны для выяснения причин начала коллапса башен, но не дают возможности смоделировать сам коллапс.

 

Параллельные расследования

В 2003 году три инженера Университета Эдинбурга опубликовали доклад, в котором предполагалось, что одного только действия пожаров, даже без учета разрушительного действия ударов самолетов, было достаточно для полного разрушения башен WTC. По их мнению, конструкция башен делала их исключительно уязвимыми для обширных пожаров, охватывающих сразу несколько этажей.

 

Расчистка места катастрофы

Огромная гора обломков на месте WTC продолжала гореть и тлеть еще в течение трех месяцев. Попытки справиться с огнем не имели успеха до тех пор, пока не было вывезено значительное количество обломков и мусора. Расчистка стала весьма масштабной операцией, координацией которой занимался Строительный Департамент (DDC). Предварительный план расчистки был подготовлен еще 22 сентября, компанией Controlled Demolition Inc. (CDI) из Феникса. Марк Лозо, президент CDI, особенно подчеркивал важность защиты глиняной стены (или «ванны»), которая предохраняла фундамент WTC от затопления водами Гудзона. Расчистка велась круглосуточно, с привлечением большого количества подрядчиков, и обошлась в сотни миллионов долларов. В начале ноября, после того как была убрана примерно треть мусора, правительство города стало сокращать участие в расчистке полицейских и пожарных, занимавшихся поиском останков погибших, и перенесло приоритеты на вывоз мусора.

 

Источник: журнал «Гражданская оборона и защита от чрезвычайных ситуаций в учреждениях, организациях и на предприятиях» N 11/2021.

 

 

 

[1] WTC – аббревиатура от «world trade center».

 

Другие статьи по теме
Категория: Защита от ЧС (РСЧС) | Добавил: ЦИПЗО (22.07.2022)
Просмотров: 26