World Trade Center: Razones detrás de las fallas en los edificios después de los ataques del 11 de septiembre

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El complejo del World Trade Center (WTC) constaba de siete edificios (WTC-1 a WTC-7) en un sitio frente al extremo suroeste de la isla de Manhattan. Construidos a principios de la década de 1970, el WTC-1 y el WTC-2 tienen 110 pisos de altura y son más pequeños que otros rascacielos del bajo Manhattan. Ambos edificios eran el foco principal del complejo WTC y eran más altos que cualquier otro edificio en el mundo en ese momento.

WTC-1 y WTC-2 son únicos en muchos sentidos y su construcción resultó en un aumento significativo en el espacio de oficinas comerciales de planta abierta. Los principales sistemas estructurales de WTC-1 y WTC-2 incluyen un sistema de tubos con marco exterior, una estructura central que soporta cargas de gravedad, un sistema de armazón de piso compuesto sostenido por columnas externas y centrales, y una armadura de sombrero para distribuir la carga. . Columnas centrales y exteriores en la parte superior del edificio.

El 11 de septiembre de 2001, el Edificio Norte (WTC-1) chocó con un Boeing 767 que transportaba 10 000 galones estadounidenses de combustible y volaba sobre la cara norte entre la Unidad 94 a 470 mph.^el y 98^el piso. Quince minutos después, el Edificio Sur (WTC-2) fue embestido por otro Boeing 767 con 10.000 galones estadounidenses de combustible, volando a 586 mph, rumbo sur hacia la esquina sureste entre 78s. Volé.^el y 84^el piso.

Tanto el WTC-1 como el WTC-2 están diseñados para soportar dos horas de fuego en el marco del piso de alma abierta y tres horas en la sección de columnas. Sin embargo, el impacto en el avión fue tan grande que el sistema de protección contra incendios no funcionó correctamente.

A medida que las llamas hirvieron, la resistencia del acero disminuyó gradualmente y el colapso se hizo inevitable: el WTC-2 se derrumbó primero 56 minutos después del impacto del avión y el WTC-1 se derrumbó 102 minutos después.

Las conexiones de vigas de piso hechas con tacos y pernos fallaron debido a la pérdida de resistencia. Esto resultó en un movimiento sin restricciones de la columna, lo que finalmente provocó su colapso.

Varias estructuras circundantes sufrieron daños considerables. Pero no fallaron. Los edificios gemelos también eran lo suficientemente largos para que todos los que tenían un recorrido libre de obstáculos pudieran salir.

Este artículo analiza principalmente el diseño de estructuras y las razones detrás de las fallas estructurales debido a un incendio después del impacto de una aeronave.

1. El diseño del World Trade Center

La construcción del WTC comenzó en 1960 y se completó en cinco años. Se ha adoptado un enfoque novedoso para la construcción de rascacielos, empleando materiales más livianos y métodos de construcción modular para ajustar los cronogramas y reducir los costos de construcción. Los siguientes puntos describen el diseño del WTC.

1. Cada edificio tiene 61 m de ancho y 411 m de alto. La relación alto-ancho fue de 6,8.
2. El peso total de cada edificio después de la construcción fue de 500.000 toneladas.
3. Debido a su altura, las cargas de viento dominaron el diseño de la estructura en lugar de las cargas de gravedad.
4. Cada edificio está diseñado para una velocidad de viento de 225 km/h y una carga de viento de 2 kPa. Esto eleva la fuerza lateral total a 5.000 toneladas.
5. Se empleó un diseño de tubo perimetral liviano para resistir fuerzas laterales tan grandes. El diseño del tubo perimetral consistió en un total de 244 columnas externas. Cada pilar se construyó a 0,36 m.² Una caja de acero con una distancia de centro a centro de 100 cm.
6. Dentro del tubo se construyó un muro central de 27 mx 40 m para soportar el propio peso de la estructura.
7. Se proporcionaron viguetas de alma de 80 cm de alto para conectar las paredes centrales y los tubos en cada piso.
8. Sobre estas vigas se construyeron losas de hormigón armado para establecer los pisos del edificio. Además, el edificio gemelo, que consta de un 95% de aire, adoptó el método de construcción de cajas de huevos (construcción sin bloquear el área del piso del edificio con pilares y paredes). Esto explica por qué solo se depositaron unos pocos pisos de escombros altos en la superficie después del colapso del edificio.
9. El método de construcción de cajas de huevos hizo que el edificio fuera redundante. En resumen, si varias columnas fallan juntas de todos modos, la carga de estas columnas se transferirá a las columnas adyacentes. Por lo tanto, la estructura permanece estable.
10. Antes de que se construyera el WTC, los rascacielos se construían utilizando una gran cantidad de columnas de mampostería espaciadas a 5 metros de centro a centro. El WTC es una estructura de acero muy liviana, y el enfoque del tubo perimetral utilizando el método de caja de huevos hizo que el edificio fuera uno de los más resistentes y redundantes.

2. Impacto de avión en el World Trade Center

El 11 de septiembre de 2001, dos edificios del WTC fueron atacados por aviones. El impacto fue tan grande que el WTC colapsó. Los siguientes puntos describen el impacto de los aviones en el WTC.

1. El edificio fue diseñado para soportar cargas de viento de más de 30 veces el peso del avión, por lo que sobrevivió al impacto inicial del avión. El edificio también está diseñado para soportar su propio peso, que es más de 1000 veces el peso de la aeronave.
2. El día del ataque, la fuerza del viento era muy baja. Por lo tanto, las columnas exteriores de los edificios gemelos se tensaron solo hasta un tercio de su capacidad.
3. La viga de la quilla en la parte inferior del fuselaje del avión era el único componente más fuerte que los puntales exteriores del WTC.
4. Sin duda, el accidente de la aeronave dañó varias columnas en el exterior de los edificios gemelos. Sin embargo, los edificios gemelos eran muy redundantes y la carga de la columna fallida se transfirió a la columna adyacente, lo que evitó que la estructura se derrumbara inmediatamente.
5. El principal incidente durante el accidente aéreo fue la explosión de 10.000 galones estadounidenses de combustible. La explosión provocó un incendio en el edificio. El peso del combustible era un tercio del peso de la aeronave, y la estructura podría haber sobrevivido al impacto de una aeronave, pero el fuego deterioró la condición. Por lo tanto, el fuego fue el factor principal detrás del colapso del edificio.

3. Causas fundamentales del colapso del World Trade Center

Los incendios son el aspecto más incomprendido del colapso del WTC. Incluso hoy en día, los informes de los medios (y muchos investigadores) admiten que el WTC fracasó debido a la fusión del acero, pero esto no es por una buena razón.

El principal problema es que la mayoría de la gente confunde los términos temperatura y calor. Ambos términos están relacionados pero definitivamente no son equivalentes entre sí.

En termodinámica, el calor de un material está relacionado con su temperatura por su capacidad calorífica y densidad. La temperatura se caracteriza como una propiedad agrupada, lo que significa que no cambia con la cantidad de material. Al mismo tiempo, el calor se caracteriza como una propiedad amplia que varía con la cantidad de material.

Una forma de distinguir entre los dos es, por ejemplo, agregar leños adicionales a una chimenea no duplica la temperatura del fuego, se mantiene igual. Sin embargo, la duración y el tamaño del fuego se duplicarán. Entonces, cuando los aviones chocaron, había más de 10,000 galones estadounidenses de combustible para aviones en el piso de los Edificios Gemelos. La cantidad de combustible para aviones es independiente de la temperatura. La temperatura del fuego no era tan importante y definitivamente no podía derretir el acero.

Generalmente, el acero estructural tiene un punto de reblandecimiento de 425.⁰C.650⁰A temperatura C, el acero estructural pierde la mitad de su resistencia. Sin embargo, una pérdida del 50% de la resistencia del acero no es suficiente para provocar el colapso del WTC. Además, debido a la poca fuerza del viento el día del impacto, las columnas exteriores del edificio gemelo se sometieron a esfuerzos de solo un tercio de su capacidad. Este límite ha llevado la capacidad del acero estructural a más del 70% de su resistencia máxima. Incluso si la resistencia del acero se reduce en un 50 %, puede soportar más del doble de la tensión de 650.⁰fuego C.

Un problema adicional fue la torsión del acero en el fuego. La temperatura del fuego no fue uniforme en todo momento, y el fuego provocó que la temperatura exterior del pilar fuera más baja que la temperatura interior. Se generó tensión residual en el acero estructural debido a la diferencia de temperatura, lo que resultó en la distorsión del acero estructural y el pandeo de los elementos de acero.

Así, el acero estructural ha fallado debido a dos variables. El primero se debe a la pérdida de resistencia del acero por la temperatura del fuego. El segundo es la pérdida de estabilidad estructural debido a la torsión del acero debido a la falta de uniformidad de la temperatura del fuego.

4. ¿Se diseñó el World Trade Center? defectuoso?

No hubo ningún defecto en el diseño del WTC. Ningún ingeniero estructural habría soñado con tener 10.000 galones estadounidenses de combustible en los pisos de dos edificios. La mayoría de los rascacielos están diseñados para resistir un incendio durante 3 horas en caso de que falle el sistema de rociadores, por lo que todos los ocupantes del edificio pueden evacuar dentro de este período de 3 horas. Sin embargo, los edificios gemelos del WTC, debido a la gran carga de fuego, sobrevivieron al fuego de 1 a 2 horas más de lo diseñado. Los incendios en los edificios gemelos del WTC se extendieron 4.000 m² en segundos. Esto normalmente no ocurre en ningún edificio de oficinas.

Normalmente, un incendio se extendería a lo ancho y alto de un edificio en una o dos horas, pero ese no fue el caso en el WTC. El fuego fue grande y se extendió rápidamente por todo el edificio, causando daños al edificio.

5. El futuro de los edificios después del colapso del World Trade Center

Después del desastre del WTC, se realizaron algunos cambios en los estándares de diseño del edificio. Por ejemplo, se han mejorado los sistemas de comunicación de emergencia. También se incorporó otra disposición para aumentar la estabilidad de las rutas de evacuación de emergencia. Se adoptaron varias otras disposiciones para proteger a los residentes de la inhalación de humo. Los materiales absorbentes de alta energía también se consideraron en el diseño del rascacielos.

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