O Colapso World Trade Center

Colapso do World Trade Center: Ciência, Engenharia e Especulação.

O seguinte artigo aparece na revista JOM, 53.

Disponível em dezembro de 2001.

Palavras-chave:

        

RESUMO

Houve numerosos relatórios detalhando a causa do colapso da World Trade Center Tower em 11 de setembro de 2001. A maioria forneceu explicações qualitativas; entretanto, simples análises quantitativas mostram que algumas conclusões comuns são incorretas; por exemplo, o aço não pôde derreter nestas chamas e houve mais danos estruturais do que um simples amolecimento do aço a temperaturas elevadas.

Algumas diretrizes para melhorias em estruturas futuras são apresentadas.

1.INTRODUÇÃO

O colapso das torres do World Trade Center (WTC) em 11 de setembro de 2001 foi tão repentino quanto dramático; a destruição completa de edifícios tão maciços chocou quase todos. Imediatamente depois e ainda hoje, há uma especulação generalizada de que os edifícios estavam estruturalmente deficientes, que as colunas de aço derreteram, ou que o equipamento de supressão de incêndio falhou em operar. A fim de separar o fato da ficção, tentamos quantificar vários detalhes do colapso. Os principais eventos incluem o seguinte:

• O impacto do avião com danos nas colunas.
• O incêndio resultante com perda de resistência do aço e distorção.

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• O colapso, que geralmente ocorreu para dentro sem inclinação significativa.

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Cada uma delas será discutida separadamente, mas inicialmente é útil rever o projeto geral das torres.

2. O DESENHO

As torres foram projetadas e construídas em meados da década de 1960 até o início da década de 1970. Elas representavam uma nova abordagem aos arranha-céus na medida em que seriam muito leves e envolviam métodos de construção modular, a fim de acelerar o cronograma e reduzir os custos.

Para um engenheiro de estruturas, um arranha-céus é modelado como uma grande coluna vertical de cantilever. Cada torre tinha 64 m quadrados, ficando 411 m acima do nível da rua e 21 m abaixo do grau. Isto produz uma relação altura/largura de 6,8. O peso total da estrutura era de aproximadamente 500.000 t, mas a carga do vento, ao invés da carga gravitacional, dominou o projeto. O edifício é uma enorme vela que deve resistir a um furacão de 225 km/h. Ele foi projetado para resistir a uma carga de vento de 2 kPa-um total de carga lateral de 5.000 t.

A fim de tornar cada torre capaz de suportar esta carga de vento, os arquitetos selecionaram um projeto leve de "tubo perimetral" que consiste em 244 colunas externas de 36 cm de seção de caixa de aço quadrada em centros de 100 cm (ver Figura 3 ). Isto permitiu janelas com mais de meio metro de largura. Dentro deste tubo externo havia um núcleo de 27 m × 40 m, que foi projetado para suportar o peso da torre.

Ele também abrigou os elevadores, as escadas, e os risers mecânicos e utilitários. Vigas de rede de 80 cm de altura conectavam o núcleo ao perímetro em cada história. Lajes de concreto foram derramadas sobre essas vigas para formar os pisos.

Em essência, o prédio é uma construção de caixa de ovo que é cerca de 95 por cento de ar, explicando por que os escombros após o colapso tinha apenas alguns andares de altura. A construção da caixa de ovos fez uma estrutura redundante, ou seja, se uma ou duas colunas fossem perdidas, as cargas mudariam em colunas adjacentes e o edifício permaneceria de pé. Antes do World Trade Center com seu projeto de tubo de perímetro leve, a maioria dos edifícios altos continha colunas enormes em centros de 5 m e continha grandes quantidades de alvenaria carregando alguns dos

carga estrutural. O WTC foi principalmente um peso leve de estrutura de ferro; no entanto, suas 244 colunas de perímetro fizeram um dos mais redundantes e um dos mais resilientes arranha-céus.

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3. O IMPACTO DA LINHA AÉREA

As primeiras notícias notaram quão bem as torres resistiu ao impacto inicial da aeronave; porém, quando se reconhece que os edifícios tinham mais de 1.000 vezes a massa da aeronave e foi projetado para resistir a cargas de vento constantes de 30 vezes o peso da aeronave, esta capacidade de suportar o impacto não é surpreendente. Além disso, uma vez que havia nenhum vento significativo em 11 de setembro, o perímetro externo colunas só foram tensionadas antes do impacto para cerca de 1/3 de seu projeto de 200 MPa permitido. O único componente de metal individual da aeronave que é comparável em resistência às colunas de perímetro de Caixa do WTC é a viga da quilha na parte inferior da aeronave fuselagem. Enquanto o impacto da aeronave, sem dúvida destruiu várias colunas na parede do perímetro WTC, o número de colunas perdidas no impacto inicial não foi grande e as cargas foram deslocadas para as colunas restantes em esta estrutura altamente redundante. Igual ou ainda maior significância durante este impacto inicial foi a explosão quando 90.000 litros de combustível de jato, compreendendo quase 1/3 do peso da aeronave, inflamado. O incêndio que se seguiu foi claramente a principal causa do colapso.