WTC w Nowym Jorku. Adam Zbigniew Pawłowski o konstrukcji World Trade Center

Spis treści

1. WTC wśród najwyższych budynków na świecie
2. Konstrukcja World Trade Center
3. Nowoczesne technologie WTC
4. Zamach na World Trade Center
5. Katastrofa World Trade Center
6. Czy można było opóźnić katastrofę World Trade Center?

Nazwa obiektu	World Trade Center (WTC)
Adres obiektu	Nowy Jork,
Autorzy	Minoru Yamasaki, Emery Roth
Konstrukcja	Leslie Robertson, John Skilling
Powierzchnia użytkowa	1 393 500 m²
Data realizacji (koniec)	1973
Koszt inwestycji	900 mln USD

WTC wśród najwyższych budynków na świecie

11 września 2001 roku w wyniku ataku terrorystycznego wieżowiec World Trade Center (WTC) w Nowym Jorku uległ zniszczeniu. Budowę dwu wież WTC mieszczących się w południowej części Manhattanu, zaprojektowanych przez architekta Minoru Yamasakiego oraz konstruktorów Leslie Robertsona i Johna Skillinga (z zespołami), ukończono w 1973 roku. Mimo upływu 28 lat WTC - o wysokości 417 m i 415 m (bez anten) znajdował się w grupie trzech najwyższych wieżowców świata (po Petronas Towers (452 m) w Kuala Lumpur i Sears Tower (442 m) w Chicago.

Konstrukcja World Trade Center

Rzuty obu wież WTC stanowiiły kwadraty o boku 63,5 m. Projektanci zastosowali konstrukcję powłokową. Model ten zakłada usytuowanie konstrukcji nośnej w płaszczyznach ścian zewnętrznych, gdzie gęsty układ słupów oraz rygli tworzy sztywną na działanie sił poziomych powłokę. Prawie całą konstrukcję naziemną WTC wykonano ze stali, betonu użyto w małym stopniu. Zewnętrzną powłokę tworzyły słupy wykonane ze stalowych, prostokątnych rur o wymiarach 0,45 x 0,45 m, montowane jako wielkowymiarowe trzykondygnacyjne elementy – złożone ze słupów i rygli. Bardzo gęstą siatkę słupów rozstawionych co 1,02 m rozrzedzono na dolnych kondygnacjach, pozwoliło to na stworzenie sześciokondygnacyjnych holi wejściowych WTC. Dzięki łagodnym przejściom trzech słupów górnych kondygnacji do dolnej podpory stworzono elewację modernistyczną z neogotyckimi fragmentami.Część wewnętrzną konstrukcji nośnej stanowiły również stalowe słupy tworzące zarys trzonu o wymiarach 24 x 42 m, podpierały one stropy o rozpiętości do 18,3 m. Podstawowy element konstrukcyjny stropów stanowiły stalowe kratownice o wysokości 0,84 m oparte na zewnętrznych i wewnętrznych słupach. Na kratownicach znajdowała się blacha trapezowa, na której wykonano monolityczne płyty żelbetowe grubości 10 cm.

Dążenia projektantów do zastosowania konstrukcji lekkich stropów były słuszne. Obniżenie ciężaru stropów w wieżowcach jest korzystne – w tym przypadku jego redukcję powtórzono w 110 stropach. Jednak w przypadku stosowania stropów lekkich problemem staje się ich zmniejszona odporność ogniowa. System użyty w wieżach WTC był stalochłonny – wbudowano około 192 000 ton stali. Zaprojektowana konstrukcja spełniała amerykańskie wymagania dotyczące zarówno nośności, jak i ograniczenia przemieszczeń poziomych wierzchołków wież. Przemieszczenia teoretyczne wynosiły 112 cm to jest 1/375 wysokości WTC. Rzeczywiste przemieszczenia poziome były znacznie mniejsze i nie przekroczyły 70 cm. Obecnie jako zasadę przyjmuje się, że przemieszczenia poziome nie powinny przekraczać 1/500 wysokości wieżowców. W konstrukcji wewnętrznej trzonu, którą stanowiły słupy, zainstalowano windy lokalne i ekspresowe oraz cztery klatki schodowe (przeznaczone do ewakuacji). Wymiary klatek schodowych oraz sposoby zabezpieczenia ich przed zadymieniem są dzisiaj trudne do ustalenia. Budynki zostały zabezpieczone przed pożarem na okres dwóch godzin - czas przyjmowany w Stanach Zjednoczonych w przypadku budynków wysokich. Słupy zabezpieczono warstwą vermiculitu grubości 5 cm. Brak jest danych odnośnie stropów i rygli, a także obudowy trzonu (między słupami). Obie wieże WTC posadowiono na płytach fundamentowych. Konstrukcję części podziemnej zabezpieczały przed przenikaniem wody z rzeki Hudson szczelne ściany żelbetowe.

Nowoczesne technologie WTC

Wieże WTC były w 1973 roku najwyższymi budynkami świata. Prymat dzierżyły do 1974 roku, kiedy to w Chicago oddano do użytku, zaprojektowany przez pracownię architektoniczną Skidmore Owings and Merrill oraz konstruktora Fazlura Rahmana Khana, wieżowiec Sears. Szczyt anteny umieszczonej na północnej wieży WTC znajdował się na wysokości 527 m i do dnia zniszczenia obiektu był najwyższym na świecie punktem anteny zainstalowanej w budynku. W przypadku obiektów wysokich istnieje ścisła zależność pomiędzy wysokością a systemem konstrukcyjnym. Przy wysokości powyżej 300 m stosowane są ustroje powłokowe, w których sztywna konstrukcja zewnętrznej powłoki przenosi zarówno większość obciążeń pionowych, jak i wszystkie siły poziome działające na obiekt. Konstrukcja wewnętrznego trzonu jest w budynkach wysokich zbyt wiotka, aby przenieść siły poziome. Takie rozwiązanie przyjęto w WTC. Siły wiatru wzrastają wraz z wysokością wieżowców – na poziomie 300-400 m mogą wynosić nawet 4,0 kN/m2. Według badań amerykańskich w budynkach o wysokości powyżej 400 m pokonanie sił wiatru absorbuje 40% ciężaru zastosowanego tworzywa konstrukcyjnego, a koszt przeniesienia sił poziomych stanowi około 35% kosztu konstrukcji wieżowca.

WTC był prawidłowo zaprojektowanym obiektem o dużej wysokości, prezentował najbardziej nowoczesne technologie realizacji wykorzystujące wieloletnie doświadczenia amerykańskie w dziedzinie konstrukcji stalowych. O doskonałym zachowaniu się WTC poddawanemu działaniu sił poziomych świadczą wieloletnie doświadczenia eksploatacyjne - szczególnie zaś pozytywne wyniki badań odchyleń pod wpływem wiatru. Zdaniem Leslie Robertsona wierzchołki wież WTC nie tylko odchylały się wzdłuż jednej osi, ale także ulegały ruchom wirowym. Robertson, główny konstruktor wieżowca, w czasie pobytu w Polsce w latach 70. gościł także w Katedrze Projektowania Konstrukcji na Wydziale Architektury Politechniki Warszawskiej. Uważał, iż właściwie zaprojektował budynek o konstrukcji bardzo elastycznej, całkowicie uwolnionej wewnątrz (poza trzonem) od podpór.

Zamach na World Trade Center

W WTC przyjęto największe możliwe, określone badaniami siły poziome wiatru. Jako warianty obliczeniowe analizowano możliwość uderzenia samolotem pasażerskim (brak danych o jego wielkości). Było to zapewne wynikiem przypadkowego uderzenia w lipcu 1945 roku bombowca B-25 w Empire State Building w Nowym Jorku - najwyższy wówczas wieżowiec świata. Samolot uderzył w budynek na wysokości 79 piętra, zginęło 13 osób (w tym dwóch pilotów). Empire State Building w wyniku tej katastrofy został nieznacznie uszkodzony. Wieże WTC były celem ataku terrorystycznego w roku 1993. W garażu podziemnym nastąpił wybuch potężnego ładunku – budynek został wtedy lokalnie uszkodzony, konstrukcja przetrwała jednak atak w sposób zadowalający. W roku 2001 przyczyną zniszczenia obu wież WTC było uderzenie samolotów Boeing 767, o ciężarze około 200 ton każdy, lecących z szybkością 300 km/h. W zbiornikach każdego z nich znajdowało się około 91 000 litrów paliwa. Uderzenia nastąpiły na znacznej wysokości obu budynków. W wyniku ataku konstrukcja wież została dwukrotnie poddana wyjątkowej próbie. Próbą pierwszą było uderzenie samolotu w wieżę. Uderzenie takie to przyłożenie do konstrukcji statycznej siły poziomej, stanowiącej zwielokrotnienie siły dynamicznej, działającej na bardzo dużym ramieniu HI i H2. Powstał olbrzymi moment zginający oraz pozioma siła ścinająca konstrukcję.

Ten pierwszy, silny szok uderzeniowy powłokowa konstrukcja stalowa wież zniosła bardzo dobrze. Dzięki swojej elastyczności spełniła warunki bezpieczeństwa – utrzymała wieże aż do wystąpienia następnego zagrożenia bezpieczeństwa. Tą następną, wyjątkową próbą było poddanie konstrukcji wieżowca działaniu bardzo wysokiej temperatury. W miejscach uderzeń samolotów powstał wybuch wprowadzonego do wnętrza obiektu paliwa. Wydaje się, iż jego część wybuchła na zewnątrz budynków, ale jeśli nawet we wnętrzu wybuchła tylko połowa paliwa, to i tak spowodowała powstanie bardzo wysokiej temperatury. Zdaniem specjalistów temperatura w miejscach uderzenia samolotów osiągała 1000-1500°C. Według ówczesnych norm amerykańskich temperatura graniczna, którą wytrzymuje zabezpieczona przed ogniem konstrukcja, wynosiła do 520°C, a według niemieckiej DIN do 440°C. W Stanach Zjednoczonych, w latach 70., badano konstrukcje stalowych słupów z osłoną przeciwpożarową z vemniculitu. Słupy te wytrzymały działanie temperatury rzędu 400°C w ciągu 4 godzin. W przypadku wieżowca WTC możemy mówić o powstałym w wyniku wybuchu, katastrofalnym szoku termicznym o temperaturze niewyobrażalnej w praktyce inżynierskiej. W miejscu uderzenia samolotów, w wyniku bardzo wysokiej temperatury, nastąpiło uplastycznienie konstrukcji stalowej, co dało początek katastrofie wież WTC. Wytworzony plastyczny „przegub” spowodował zniszczenie konstrukcji słupów oraz stropów, które opadając w dół oddziaływały dynamicznie na kolejne stropy, niszcząc je. Jednocześnie pozbawiona usztywnień poziomych konstrukcja zewnętrznej powłoki uległa wyboczeniu, „pociągana” przez stropy waliła się do środka.

Katastrofa World Trade Center

Porównanie katastrofy do „efektu domina” albo do zasad implozji nie jest pozbawione sensu. Zachowanie stateczności wież w pierwszej próbie (uderzenie samolotu) oraz implozja konstrukcji w drugiej próbie (szok termiczny) to bardziej szczęśliwy wariant tej tragedii. Przewrócenie wież o wysokości ponad 400 m na sąsiednie budynki byłoby nieszczęściem znacznie większym. Tragedia WTC nasuwa pytania - czy nadal na świecie będą wznoszone wieżowce, a jeśli tak, to jakie elementy powinny być uwzględniane w projektach? Wieżowce będą nadal, ponad wszelką wątpliwość budowane. Są elementem prestiżu krajów, miast, koncernów. W krajach azjatyckich na architekturę wieżowców mają wpływ tradycje narodowe oraz kulturowe (na przykład Bank of China w Hongkongu, autor Leoh Ming Pei, lub Shanghai World Financial Center w Szanghaju autorstwa pracowni Kohn Pedersen Fox Associates), a także religijne, szczególnie w krajach, gdzie dominującą religią jest islam (na przykład Petronas Towers w Kuala Lumpur, projekt Cesara Pelliego). Dotyczy to szczególnie Chin i innych „azjatyckich tygrysów”. Budowa wieżowców sprzyja postępowi technicznemu, wpływa na nowe rozwiązania technologiczne i produkcję wysokiej klasy wyrobów, które następnie stosowane są w budynkach niskich. Tworzą się różne skale wysokości wieżowców. W Azji i Stanach Zjednoczonych są budynki najwyższe, w Europie wieżowce o wysokości do 200 m (wyjątki potwierdzają regułę).

Ilość zwolenników budynków wysokich na świecie rośnie. W zabudowę wysoką angażują swój autorytet największe sławy architektury: Louis Skidmore, Nathaniel Owings, John Merrill, Norman Foster, leoh Ming Pei, Kenzo Tange, John Portman, Philip Johnson, Cesar Pełli, Kisho Kurokawa, Christoph lngenhoven, A. Eugene William Kohn, Pedersen, Sheldon Fox, Christian de Portzamparc, Richard Meier, Helmut Jahn i wielu innych. Urodzona i wychowana we Włoszech pisarka i dziennikarka Oriana Fallaci pisze: Te wspaniałe wieżowce, takie wysokie, takie piękne, że kiedy unosisz wzrok jesteś skłonny zapomnieć o piramidach i o boskich przybytkach naszej przeszłości. Podobnie myśli coraz więcej ludzi. Wieżowce dynamizują przestrzeń miejską, są drogowskazami w dużych aglomeracjach, tworzą drugi poziom przestrzeni miasta. Na pytanie o przewidywane zmiany w projektowaniu odpowiedź już częściowo padła. Od kilkunastu lat konstrukcje stalowe są coraz częściej zastępowane żelbetowymi. Rozwijają się nowe systemy konstrukcji, zwiększają się wysokości wieżowców żelbetowych. Żelbet jest tworzywem dość odpornym na ogień – otulina o grubości około 5 cm tworzy dwugodzinne zabezpieczenie przed pożarem. Gwałtowny rozwój technologii betonu spowodował znaczny wzrost jego wytrzymałości, a dodatki umożliwiają jego stosowanie w zróżnicowanych klimatach – powstały możliwości betonowania w temperaturach ujemnych nawet do -15°C. Klasy betonu wzrosły - w Stanach zjednoczonych stosowano z powodzeniem betony klasy B 130, wkrótce będą do dyspozycji betony B 150. W Polsce osiągane są klasy betonów B 70 (jeszcze piętnaście, dwadzieścia lat temu zadowalały nas betony B 20). Obok konstrukcji „czysto” żelbetowej wieżowców rozwijają się z powodzeniem konstrukcje stalowo-żelbetowe. Połączenie stali i żelbetu realizowane jest przez: łączenie konstrukcji stalowych słupów i belek z żelbetowym trzonem lub stosowanie konstrukcji żelbetowych ze sztywnym zbrojeniem (profile stalowe obetonowane), także inne kombinacje.

Czy można było opóźnić katastrofę World Trade Center?

Czy pod koniec lat 60. Robertson mógł traktować beton jako tworzywo konstrukcyjne w projekcie WTC? Brak doświadczeń w konstruowaniu najwyższych wieżowców w żelbecie, przy ugruntowanej pozycji konstrukcji stalowych w Stanach Zjednoczonych przesądziły o wyborze tworzywa. Warsztat konstruktora był nieporównanie uboższy od obecnego, co również promowało konstrukcje stalowe. Wreszcie pytanie teoretyczne - jak można obecnie rozwiązać konstrukcyjnie projekt WTC? Z całą pewnością mogłaby być zastosowana konstrukcja mieszana stalowo-żelbetowa. Racjonalne wydaje się wykonanie żelbetowego, wewnętrznego trzonu (w miejsce słupów stalowych i cienkich ścianek obudowy). Konstrukcja zewnętrznej powłoki byłaby przedmiotem porównań stali „czystej” oraz konstrukcji stalowo-żelbetowej. Autorzy projektu WTC nie mogli jednak tego uczynić - na przeszkodzie stanęły: brak betonów wysokiej wytrzymałości oraz niewielkie doświadczenie w realizacji najwyższych wieżowców o konstrukcji mieszanej. Okazało się, iż w dziedzinie projektowania wieżowców 30 lat od czasu wykonania projektu WTC to prawie stulecie. Należy podkreślić, że powstały szok termiczny WTC nie mieści się w żadnych budowlanych doświadczeniach praktycznych ani też normach jakiegokolwiek kraju. Takiej apokalipsy nie zniosłaby żadna konstrukcja budynku. Nie jest możliwa odpowiedź na zadawane często pytanie - z jakim opóźnieniem uległaby katastrofie konstrukcja WTC w wersji stalowo-żelbetowej, a nawet czy przetrwałaby szok termiczny. Z całą pewnością zachowałaby się lepiej. Zapasy bezpieczeństwa we współczesnym budownictwie, także wysokim, zostały w wieloletniej praktyce w pełni sprawdzone i nie wymagają zwiększenia. Także wielkości sił wiatru i działań sejsmicznych uległy w ciągu wielu lat pozytywnej weryfikacji. Powstałe w wieżowcu WTC obciążenia termiczne i dynamiczne nie mieszczą się w naszym porządku budowlanym, nie są praktycznie możliwe do uwzględnienia w przyszłych projektach. Wysiłki należy koncentrować na likwidowaniu źródeł zagrożeń zarówno dla wieżowców, jak i dla innych dzieł myśli architektonicznej i inżynierskiej.