Чему инженеров научили теракты 11 сентября

Башни-«близнецы» Всемирного торгового центра в Нью-Йорке обрушились не сразу после того, как утром 11 сентября 2001 года в них врезались два пассажирских «Боинга». Северная башня полностью разрушилась через полтора часа, южная продержалась чуть более 55 минут. Эта пауза позволила конспирологам говорить, что небоскребы рухнули не из-за теракта, а, например, из-за подрыва заранее заложенной взрывчатки. Инженерное расследование этих событий показало, что башни стали жертвой прогрессирующего обрушения — явления, с которым США в сопоставимом масштабе столкнулись еще за шесть лет до терактов 11 сентября, при взрыве здания в Оклахома-Сити. О том, какие вопросы задавали проектировщики после терактов в Нью-Йорке, как они изменили строительные технологии рассказывает профессор Университета Техаса в Арлингтоне Ши-хэ Чжао (Shih-Ho Chao). Приводим перевод его колонки для издания The Conversation.

Когда здания обрушиваются и гибнут сотни, а то и тысячи людей — это страшная трагедия. Но это еще и важная инженерная проблема. Разрушение в результате теракта в Оклахома-Сити в 1995 году здания Альфреда Марра и башен Всемирного торгового центра в 2001 году породило поток клятв и заверений в том, что такие события больше не повторятся никогда в будущем. Для инженеров-строителей вроде меня это означало, что мы должны разобраться в том, что произошло, и выяснить, как мы можем повысить способность зданий выдерживать террористические атаки.

Теракт, в результате которого в Оклахома-Сити было взорвано девятиэтажное железобетонное административное здание Марра, показал, что повреждение даже небольшого числа несущих конструкций может привести к тому, что называется «прогрессирующим обрушением» (progressive collapse).

Взрыв в грузовике, припаркованном у здания Марра 19 апреля 1995 года, не уничтожил его конструкцию целиком, но повредил его ключевые элементы. Взрыва не выдержали лишь несколько несущих колонн. Как только они рухнули, неповрежденные колонны некоторое время удерживали здание на себе, но не все из них были способны выдержать дополнительную нагрузку, поэтому в итоге примерно половина здания обрушилось. Несмотря на то, что значительная часть здания устояла, 268 человек погибли в момент взрыва, а также в обрушившихся частях строения, которые не могли больше поддерживать сами себя. (Через месяц после теракта оставшаяся часть здания была снесена; на этом месте сейчас находится мемориал).

По похожему сценарию развивались события перед обрушением башен Всемирного торгового центра 11 сентября 2001 года, где погибло около трех тысяч человек. Они обе устояли под ударами авиалайнеров, но под воздействием высоких температур от горящего авиационного топлива, стальные колонны в обеих башнях утратили прочность и «переложили» на остальные элементы конструкции слишком большую нагрузку. И в конечном счете обе башни обрушились, погребя под собой множество людей.

До этих терактов большинство проектировщиков не учитывали риск прогрессирующего обрушения — это явление было плохо изучено и строители редко с ним сталкивались. После 2001 года мы стали воспринимать прогрессирующее обрушение как важнейшую угрозу. И мы нашли два главных способа снизить его вероятность и уменьшить масштаб разрушений, если коллапс все же произойдет: во-первых, усилить саму конструкцию, сделав ее более взрывостойкой, и, во-вторых, увеличить прочность самих конструкционных материалов.

Позаимствовать идеи у защитников от землетрясений

Исследования показали, что есть способы сохранять прочность колонн и балок, даже когда они находятся под большой нагрузкой и деформированы. Это свойство называется пластичностью (ductility), ее высокий уровень позволяет снизить риск прогрессирующего обрушения. На этот параметр всегда обращают внимание при строительстве в сейсмоопасных зонах.

В самом деле, много лет строительные правила Американского общества гражданских инженеров, Американского института стальных конструкций и Американского института бетона требовали проектировать несущие конструкции с такой пластичностью, чтобы они выдерживали землетрясение, которое по сейсмическому прогнозу могло произойти в регионе лишь раз в две тысячи лет. Эти требования должны были бы предотвратить обрушения от сейсмических толчков. Однако недостаточно принять эти нормы и ожидать, что они автоматически снизят ущерб от террористических актов: подземные толчки влияют на здания совсем иначе, чем взрывы, происходящие рядом.

Другой ключевой элемент, который проектировщики должны учитывать — это резервирование. Как спроектировать и сделать арматуру для опорных балок и колонн так, чтобы, скажем, потеря внешней колонны не привела к полному разрушению всей конструкции. Существует мало стандартов резервирования для повышения устойчивости к взрывам, но Национальный институт строительных наук разраблотал некоторые такие рекомендации.

Сделать бетон прочнее

Материалы, из которых построены здания, не менее важны, чем их конструкция. Стальные колонны башен Всемирного торгового центра начали стремительно терять прочность, когда во время пожара их температура достигала 400 градусов по Фаренгейту (около 200 градусов по Цельсию). Бетон тоже разогревался до таких температур, но несмотря на это, не испытывал при этом значительные химические или физические изменения. Бетон при нагреве сохраняет большую часть своих механических свойств. Другими словами, бетон — практически огнеупорный материал.

Здание Всемирного торгового центра 1, построенное рядом с местом, где стояли «башни-близнецы», было спроектировано с учетом этого преимущества бетона. Главная несущая конструкция здания — железобетонные стены толщиной в три фута (0,91 метра), которые тянутся по всей высоте. Помимо того, что эти стены содержат большое количество специально разработанной арматуры, они изготовлены из высокопрочного бетона.

Взрыв создает очень высокое давление — насколько высоким оно будет в конкретной точке, зависит от мощности самого взрыва и дистанции от центра детонации. Давление создает мощные напряжения в толще бетонных конструкций, которые могут разрушиться, если прочность окажется недостаточной.

Стандартный бетон может выдержать давление от 3000 до 6000 фунтов на квадратный дюйм (от 21 до 41 мегапаскаля). Бетон, использованный для Всемирного торгового центра 1, обладает прочностью на сжатие в 12000 фунтов на квадратный дюйм (83 мегапаскаля). Использование материаловедческих разработок позволяет более плотно упаковать частицы бетона, и еще больше увеличить прочность — до 30000 фунтов на квадратный дюйм (207 мегапаскалей).

Улучшить армирование

Прежде арматура традиционного железобетона представляла просто каркас из стальных прутьев внутри конструкции. Но в последние годы и в этой области появились новые идеи. Например, для повышения прочности и взрывостойкости бетона, в него подмешивают миллионы высокопрочных игольчатых стальные микроволокон. Они образуют связи с бетоном и предотвращают появление и рост трещин, которые возникают из-за взрыва или другой экстремальной нагрузки.

Эта смесь стали и бетона очень прочна и пластична. Исследование показало, что этот материал, сверхвысокоэффективный армированный волокнами бетон, чрезвычайно взрывоустойчив. Мы можем ожидать, что будущие проектировщики и строители будут использовать этот материал для защиты зданий от террористических атак. Это лишь один из способов, при помощи которого мы можем внести вклад в предотвращение подобных трагедий в будущем.

Перевел Александр Сапрыкин