Téma pádu budov Světového obchodního centra (WTC) bylo v minulosti řešeno řadou špičkových odborníků – komisemi US Federal Emergency Management Agency (FEMA, publikováno 2002) a National Institute of Standards and Technology (publikováno 2005), tématu se také věnovala česko-americká dvojice prof. Zdeněk P. Bažant, prof. Milan Jirásek (publikováno 2006). Odborností se problematika zřícení WTC dotýká několika oborů – navrhování konstrukcí, statiky, požární odolnosti konstrukcí, dynamiky atd. Tato provázanost je nejlépe vidět i z vlastního zdůvodnění tragédie – všichni výše uvedení experti se shodují na tom, že příčinou kolapsu bylo působení požáru na nosnou konstrukci v kombinaci s jeho rozsahem a poškozením z prvotního nárazu letadla.
Na začátku hodnocení, proč a jakým způsobem konstrukce objektů WTC1 a WTC2 po nárazu letadlem zkolabovala, je nezbytné definovat, o jakou a jak dobře protipožárně chráněnou konstrukci šlo. Oba zmíněné objekty WTC byly navrženy a realizovány jako ocelo-betonové skeletové konstrukce. Výhodou těchto konstrukcí je jejich nižší hmotnost oproti tradičním železobetonovým konstrukcím a možnost jejich prefabrikace, která urychluje výstavbu. Určitou nevýhodou jsou jejich obecně vyšší požadavky na zajištění odpovídající požární ochrany kvůli nižší teplotní odolnosti ocelových konstrukcí ve srovnání například s železobetonem.
Po tomto delším úvodu pojďme ke konkrétním datům. V důsledku nárazu letadla byla poškozena obvodová konstrukce objektu v rozsahu několika podlaží – u severní věže (WTC1) šlo o podlaží 95–97, u jižní věže (WTC2) o podlaží 81–85. Tím byla částečně způsobena změna přenosu zatížení zasažené části budovy, neboť došlo k redistribuci (přerozdělení) sil z poškozených sloupů na sousední nepoškozené konstrukce.
Po nárazu a výbuchu leteckého paliva došlo k velmi rychlému vzplanutí kancelářského nábytku, jenž po vyhoření leteckého paliva (během prvních 5 až 10 minut požáru) tvořil hlavní složku hořlavého materiálu a kvůli tomu teploty dosáhly až 1000 °C. V důsledku zvýšených teplot postupně dochází k roztažení vodorovných konstrukcí a tlakovému namáhání jejich přípojných míst. V dalším kroku dojde k průhybu těchto konstrukcí – staticky se tím zcela obrací namáhání konstrukcí a prvky, které měly být namáhány tahem, jsou namáhány tlakem. Nakonec dochází k přetržení spojů a následuje pád stropní konstrukce. Je nutné poznamenat, že štíhlé ocelové prvky se v tlaku a tahu chovají diametrálně odlišně – při namáhání tlakem jsou velice náchylné na ztrátu stability. Tenký sloup si tak můžeme představit jako sirku, která při nárůstu zatížení nebude porušena drcením, ale vybočí do strany.
Kritického momentu je dosaženo ve chvíli, kdy se požár vertikálně rozšíří do sousedních podlaží a nastává stejný scénář pádu stropní konstrukce. V důsledku toho narůstá vzpěrná délka sloupů a v kombinaci s úbytkem mechanických vlastností oceli vlivem zvýšené teploty dochází k náhlému vybočení sloupů (výše zmíněná sirka). Tento moment iniciuje progresivní kolaps objektu (domino efekt), který nastává přibližně po 1 hodině a 43 minutách. WTC1 se pod tíhou všech vyšších podlaží a kvůli centrickému nárazu letadla do budovy hroutí „sám do sebe“. Oproti tomu u budovy WTC2 je možné pozorovat rozdílný způsob kolapsu budovy, jelikož náraz letadla poškodil rohovou část objektu – vrchní část věže zde po přibližně 56 minutách padá „mimo půdorys“, protože poškození objektu nárazem letadla bylo necentrické. Padající trosky pak iniciují vznik požáru budovy WTC3.
Zhroucení budovy WTC1 „sama do sebe” bylo způsobeno dynamickým rázem a přebytkem kinetické energie, který si můžeme představit jako pád bucharu o váze 100 000 tun na dráze 5–10 m. Dle výpočtů byla energie tohoto nárazu desetinásobně vyšší než energie potřebná pro vybočení všech sloupů dalšího spodního patra. Roztříštění oken a detonace, z nichž vycházejí konspirační teorie, mají také logické vysvětlení – z celého patra se musel „vyrazit“ vzduch za méně než desetinu vteřiny a jeho rychlost byla cca 1 mach.
Délky pádu vycházejí podobně jak z matematických výpočtů, tak ze seismických dat: severní věž se zřítila za 12,6 sekund, jižní za 10,5 sekundy. Oproti volnému pádu jsou tyto časy cca o 60 % delší – toto zpomalení je dáno primárně nutností uvést do pohybu podlaží, na které padající masa narážela, v druhé řadě pak ztrátou energie v důsledku nuceného vybočení sloupů. Po pádu je na fotkách vidět masa materiálu o výšce cca 2–5 podlaží. Zapomíná se ale, že WTC mělo podzemní část hlubokou cca 25 m, která byla zcela zaplněna sutí.
Lze tedy konstatovat, že zřícení objektů WTC1 a WTC2 nebylo způsobeno prvotním mechanickým poškozením konstrukce, ale především vzniklým požárem po nárazu letadla, jež byl iniciován výbuchem neseného leteckého paliva, a následnou expozicí nosných konstrukcí zvýšeným teplotám, což vedlo postupně ke ztrátě pevnosti.
Při výzkumu byly provedeny simulace vývoje poruchy, při nichž se předpokládal zásah objektů stejnými letadly na opačné cestě, tedy s téměř prázdnými nádržemi – všechny modely měly za výsledek stojící mrakodrapy, ve kterých by došlo pouze k redistribuci zatížení z porušených konstrukcí na okolní sloupy. Pokud by tedy náraz letadla nedoprovázel oheň, budovy by pravděpodobně katastrofu ustály.
Na McMaster University byl proveden experiment na hliníkovém modelu objektů, při kterém byly zjištěny některé významnější odchylky, zejména u únosnosti kloubových spojů. Při detailním ověřování ale bylo zjištěno, že hliníkový model umožňoval až o 90° větší otáčení těchto spojů, než jaké bylo u ocelové konstrukce WTC – po úpravě matematického modelu byly pak jeho výsledky srovnatelné se simulací.
Pro Zeptej se vědce odpovídali Martin a Richard
Zdroje:
Fire Resistance Tests of the Floor Truss Systems. Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster (NIST NCSTAR 1-6B), 2005.
https://www.nist.gov/publications/fire-resistance-tests-floor-truss-systems-federal-building-and-fire-safety-0
Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-2: General rules – Structural fire design, 2006.
Post-Construction Modification to Fire Protection and Life Safety Systems of the World Trade Center Towers. Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster (NIST NCSTAR 1-1H), 2005.
https://www.nist.gov/publications/post-construction-modification-fire-protection-and-life-safety-systems-world-trade
World Trade Center Building Performance Study: Data Collection, Preliminary Observations, and Recommendations. FEMA 403, Chapter 2, WTC1 and WTC 2. R. Hamburger, W. Baker, J. Barnett, Ch. Marrion, J. Milke, H. Nelson, May 2002.
https://www.fema.gov/pdf/library/fema403_ch2.pdf
Computer Simulation of the Fires in the World Trade Center Towers, Federal Building and Fire Safety Investigation of the World Trade Center Disaster (NCSTAR 1-5F), 2005.
https://www.nist.gov/publications/computer-simulation-fires-world-trade-center-towers-federal-building-and-fire-safety-0
Mechanics-Based Mathematical Studies Proving Spontaneity Of Post-Impact WTC Towers Collapse, Jia-Liang Le, Zdeněk P. Bažant, Europhysicnews 48/1 2017.
http://www.civil.northwestern.edu/people/bazant/PDFs/Papers/578.pdf
Zhroucení věží WTC z hlediska stavební mechaniky, Zdeněk P. Bažant, Milan Jirásek, Československý časopis pro fyziku, 05/2016.
https://adoc.pub/zhrouceni-vi-wtc-z-hlediska-stavebni-mechaniky-fyzika-plazma.html
Final Reports from the NIST World Trade Center Disaster Investigation, Sivaraj Shyam-Sunder, Richard G. Gann, William L. Grosshandler, Hai S. Lew, Richard W. Bukowski, Fahim Sadek, Frank W. Gayle, John L. Gross, Therese P. McAllister, Jason D. Averill, James R. Lawson, Harold E. Nelson, Stephen A. Cauffman, NIST, 2005.
https://www.nist.gov/el/final-reports-nist-world-trade-center-disaster-investigation
Why Did the World Trade Center Collapse? Science, Engineering, and Speculation, Thomas W. Eagar and Christopher Musso, The Member Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, 2001.
https://www.tms.org/pubs/journals/jom/0112/eagar/eagar-0112.html
