Poznámky k průběhu destrukce ocelových konstrukcí WTC

Výsledky rozboru technických aspektů totální destrukce, kterou zděšený svět sledoval na obrazovkách televizorů, budou jistě postupně zveřejňovány, aby posloužily jako zdroj odborného poučení a jako podklad k revizím i ke zdokonalení nejen norem a předpisů, nýbrž též výhledových plánů uplatnění vysokých budova zajištění jejich ochrany. Základní informace o nosném systému WTC a o vybraných jednotlivostech ocelových konstrukcí nalezne čtenář např. v publikacích /1/, /4/ a /5/. Následující odstavce obsahují několik názorů, poznatků a úvah, které se mohly opírat pouze o několik fotografií, o shlédnuté televizní záběry a údaje, zveřejněné některými zámořskými odborníky v mediích nebo v předběžných zprávách. Četní experti vyjádřili už své názory na průběh destrukčního procesu, který za necelé dvě hodiny ukončil existenci sedmé nejvyšší budovy světa (viz např. /2/).

Náraz letadla na stěnu budovy
Podle odhadu odborníků se letadlo v okamžiku nárazu na ocelovou konstrukci budovy pohybovalo rychlostí asi 100 až120 m.s^-1. Rozměry, hmotnosti a některé další parametry letadel nalezne čtenář na internetu (www.boeing.com). Jak podrobný byl plán teroristů z hlediska přibližovacího manévru letadla včetně volby místa a úhlu nárazu na budovu se už zřejmě svět nikdy nedoví. Jak zaznamenaly kamery, trup letadla vnikl do budovy po proražení části nosného rámu a stropních konstrukcí v rozsahu výšky asi tří podlaží. V rozsahu cca 63 m (tj. destrukční" dráhy, odpovídající rozměru budovy), se musela celá konstrukce letadla v průběhu zlomku sekundy zdeformovat, rozrušit a roztříštit (není snadné hledat přiměřené výrazy) a jak může naznačit obr. I, asi jen několik málo trosek letadla vypadlo z budovy na protilehlé straně.
Při nárazu na stěnu budovy musel trup letadla a následně křídla nejprve prorazit mohutné hlavní ocelové sloupy o rozteči cca 1.020 mm (viz /1/). Na fotografii na obr. 2a je záběr otvoru, proraženého do stěny budovy. Z fotografie si lze udělat představu o "přeseknutí" husté řady sloupů. Fotomontáž na obr. 2b ukazuje předpokládanou polohu letadla v okamžiku nárazu. Ze zvětšenin fotografie lze odhadnout polohu sloupů a trámů ocelového patrového sdruženého rámu, jakož i úrovně stropních konstrukcí.
Porušení téměř čtyřiceti (I) sloupů hlavní nosné ocelové konstrukce zaslouží zvláštní pozornost. Na obr. 3. je naznačen tvar letadla a jeho poloha těsně před nárazem na řadu ocelových sloupů o rozteči 1.020 mm. Do budovy vnikl nejprve trup (oblast označená "a"), ve kterém byla hlavní nádrž leteckého petroleje. Oblast označená "b" odpovídá části křídel, jejichž konstrukce přenáší kromě vlastní tíhy a účinků proudícího vzduchu také tíhu a tahovou sílu motorů do trupu letadla.
Poloha motorů je označena úsekem "c". Na zvětšených fotografiích (obr. 4a, b.) je možno věnovat zvláštní pozornost charakteru porušení sloupů.
V rozsahu "d" je ve fotografiích zřetelně patrné "vyseknutí" části ocelových sloupů, naznačující mechanismus porušení sloupu, odpovídající velké rychlosti nárazu křídla na sloup. K hlubšímu studiu porušení sloupů rázem by bylo třeba získat bližší informace o rozložení a hmotnosti naplněných nádrží v křídlech v rozsahu "b","c" a "d". (Poznámka: letadla byla na počátku dlouhého plánovaného letu do Kalifornie a proto lze předpokládat, že nádrže v trupu i v křídlech byly téměř plné). V krajních oblastech "e" jsou na fotografii zřetelně vidět obnažené (po zničení hliníkových fasádních panelů), avšak v podstatě neporušené ocelové sloupy rámu, z čehož lze usoudit, že v tomto úseku došlo k ulomení relativně slabých konců křídel letadla. Z fotografie lze odhadnout, o kolik je menší šířka otvoru ve srovnání s rozpětím křídel letadla.
Odhadnutá šířka otvoru dává představu o rozsahu oslabení svislé nosné konstrukce ve stěně na straně budovy, kde došlo k nárazu. Porušení sloupů na protilehlé straně bezprostředně po nárazu je obtížné odhadnout, lze však usoudit, že i tam mohlo být několik sloupů rámu porušeno.

Destrukce ocelových konstrukcí letadlem uvnitř budovy
Po proražení stěny a sloupů rámu byly letadlu v cestě další dvě překážky, a to stropní spřažené ocelo-betonové konstrukce dvou či spíše tří pater budovy a ocelová konstrukce jádra budovy. Čtenář nalezne náčrtek ocelových stropních konstrukcí a ocelových sloupů jádra v článku /1/. Z dostupných podkladů nevyplývá, zda náraz letadel na budovy byl ve směru kolmém na delší či na kratší stranu jádra, které mělo rozměry 24 x 42 m. Lze usuzovat, že v omezeném půdorysném rozsahu musely být nárazem zničeny, případně závažně poškozeny stropní konstrukce v několika úrovních. Obdobně je možno soudit, že část mohutných ocelových sloupů jádra (přenášejících převážnou část zatížení stálého a zatížení nahodilého všech podlah od úrovně nárazu letadla až po střešní úroveň) byla nárazem trupu a zbytku křídel zcela vyřazena z nosné funkce nebo byla vážně poškozena.

Mohlo vést mechanické oslabení nosné konstrukce budov ke kolapsu?
Uvedené poškození hlavních nosných částí budov nárazem letadla (a odpovídající výrazné snížení únosnosti v důsledku vyřazení mnoha částí nosné konstrukce z funkce) vzniklo ve zlomku sekundy. Lze položit hypotetickou otázku, zda toto poškození (bez přihlédnutí ke zhoubným účinkům bezprostředně následujících výbuchů a požáru) by v průběhu následujících hodin, dní či týdnů vedlo ke zřícení oslabených nosných konstrukcí budov. Na tuto otázku je velice nesnadné odpovědět. Představa nesymetrického "podříznutí" konstrukce na úrovni nárazu letadla (v rozsahu asi 20 % sloupů vnějšího nosného rámu, přenášejícího jak část svislého zatížení, tak účinky všech vodorovných zatížení do základů), předpokládaného porušení asi 25 % ocelových sloupů jádra a částečně zničené stropní konstrukce v rozsahu několika podlaží nemůže jednoznačně vést k optimistickému závěru, že by se konstrukce v menším či větším časovém odstupu nezřítila. U spořádání prostorového rámu dovolilo redistribuci účinků zatížení, odpovídající oslabení v místech "přeseknutých" rámových sloupů, avšak zničené stropních konstrukcí znamenaly výrazné lokální přitížení, ke kterému je nutno připojit ještě přitížení troskami letadla.
Při hypotetických úvahách o přežití nárazem poškozené konstrukce nelze opomenout náročnost mimořádně složité opravy ve výši několika set metrů, nutné k vytvoření podmínek pro další provoz objektu. Za velice důležitý faktor je možné považovat to, že mechanicky poškozená soustava vykazovala značné rezervy únosnosti, související především s vysokou statickou neurčitostí prostorového patrového sdruženého rámu, umístěného ve vnějších stěnách budovy, v interakci rámu s diafragmaty, tvořenými stropními konstrukcemi a v rezervě zatížení stropů, dimenzovaných na poměrně velké nahodilé zatížení (viz /1/). Jak uvedl projektant ocelové konstrukce WTC Les Robertson po destrukci budov (viz dále), k hlavním kladům nosného systému WTC patřila vlastnost, kterou označil jako "integritu konstrukce".

Výbuch a požár
Výbuch a požár leteckého petroleje vznikly bezprostředně po nárazu. Proces vytvoření plynů, iniciace výbuchu a vznik požáru jistě podrobně vysvětlí specialisté. Lze si amatérsky představit, že v kritické sekundě byly nejprve porušeny nádrže v trupu a ve křídlech, petrolej byl rozptýlen, což vytvořilo předpoklady k výbuchu a ten inicioval požár. Požár se patrně rychle šířil po celé ploše zasažených podlaží, což odřízlo únikové cesty z vyšších pater. Síření požáru svislým směrem mohly zrychlit četné výtahové šachty (viz obr. 3b v článku /1/). Stávající protipožární ochrana ocelových konstrukcí WTC nebyla (a prakticky ani nemohla být) navržena přiměřeně k intenzitě vzniklého požárního zatížení. Podle předběžných zpráv v tisku a názoru expertů přesahovala teplota konstrukce značně teplotu, uvažovanou při návrhu protipožárních ochran a nebylo proto v silách požárníků požár zastavit.
Problematika požáru WTC je předmětem posudků a vyjádření expertů. Vzhledem k následujícímu textu lze připomenout, že ocel rychle ztrácí s rostoucí teplotou své příznivé mechanické vlastnosti, čímž klesá únosnost prvků, díků a systémů.

Hroucení ocelové konstrukce v důsledku požáru
Následující citace, (volně interpretované bez komentářů), vyjadřující názory některých zámořských expertů krátce po tragickém dni.

• Hlavní projektant ocelové konstrukce WTC Les Robertson napsal: "Fire brought down the towers, but the structural integrity created by the engineers allowed perhaps thousands of persons to evacuate the building prior to the fire induced collapse".
• Profesor L. S. Beedle, zakladatel a dlouholetý ředitel CTBUH (Council of Tall Buildings and Urban Habitats) opakovaně připomíná vliv vysoké teploty na únosnost přípoje stropních příhradových nosníků na sloupy rámu. Porušením těchto přípojů (spojujících vnější prostorový rám s diafragmaty, tj. se stropními konstrukcemi včetně betonové desky) ztrácejí sloupy rámu zajištění proti vybočení z roviny rámu a tím předpokládanou únosnost. K tomuto názoru se připojují současný předseda CTBUH R. Klemencic a D. Magnusson (oba z firmy Skilling Ward Magnusson Barkshire).
• Podle názoru Prof. D. J. L. Kennedyho z Kanady se nejprve vlivem požáru zhroutily ocelové sloupy jádra, čímž stropní konstrukce nad zasaženou úrovní budovy ztratily oporu a to vedlo k progresivnímu kolapsu všech dalších stropních konstrukcí.
• Chemický inženýr R. Turtle z Austrálie vyslovil domněnku, že výbuch mohl vyvolat mj. vztlak, tedy svislé zatížení jedné nebo více stropních konstrukcí nad místem výbuchu směrem vzhůru. Na takové zatížení nabyly stropní příhradové nosníky samozřejmě navrženy.

Experti se všeobecně shodují na tom, že k destrukci došlo v důsledku vlivu déletrvajícího požáru, vzniklého po nárazu letadel. Lze připomenout, že ocelové konstrukce se zřítily asi za hodinu a půl po nárazu, což byla doba potřebná ke kritickému snížení únosnosti a vytvoření podmínek k progresivnímu kolapsu celého nosného systému.

Závěr
Odstranění trosek budovy bude trvat značně dlouho, podle některých odhadů déle než rok. Při rozebírání zhroucených ocelových konstrukcí jsou z iniciativy expertů hledány a vyšetřovány ty dílce a prvky, které mohou vést k upřesnění poznatků o skutečném průběhu destrukce.

Oznámení: Příspěvek byl vypracován v návaznosti na projekt GACR 103/01/1410.

REFERENCE:
[1] Marek P., Měřínský T. a Složil J.: WTC zůstane nezapomenutelným reprezentantem vrcholné inženýrské tvorby dvacátého století. Ocelové konstrukce, 2001/5, Ostrava.
[2] Osobní informace od ředitele CTBUH (Council of Tall Buildings and Urban Habitats-USA) Prof. Dr. L. S. Beedla (září - říjen 2001)
[3] Multi-Story Buildings in Steel (Hart, Henn and Sontag, A Halsted Press Book, 1978) ,
[4] Marek P. (1974). Vysoké budovy, Skriptum Stav. Fak. CVUT, Praha.
[5] Marek P. (2001). Jaké odborné poznatky přinese destrukce budov Světového obchodního centra? Bulletin 2001/3, Česká společnost pro mechaniku, Praha
[6] Marek P. (2001) Konference Malta 2001. Jaké jsou hranice spolehlivosti stavebních konstrukcí? Stavební listy 2001/10, CKAIT, CSSI a ABF, Praha

Zdroj: časopis Ocelové konstrukce

Autor

• Prof. Ing. Marek Pavel DrSc.