構造エンジニアが 9/11 から学んだこと

専門家たちはこのような悲劇的な出来事を研究し、同じようなことが二度と起こらないよう努めています。

9.11 の出来事は世界を震撼させました。 その日まで、誰かがそのような暴力を実行するほど大胆かつ残酷であるとは想像できませんでした。 米国の都市の真ん中で 2 棟の象徴的な 110 階建ての超高層ビルが倒壊し、他の建物を全方位数百フィートにわたってえぐったり押しつぶしたりするなどということは、私たちには想像できませんでした。 私たちは自問しました、「どうしてこんなことが起こり得るのか？どうやって崩壊するのか？」 これらは、その日に私たちが感じた喪失感の範囲を表す自然な質問です。

構造技術者もこれらの質問をしましたが、対照的な質問もしました。世界貿易センターのタワーは、たとえ短期間であっても、どのようにして攻撃に耐えることができたのでしょうか? 被害は広範囲に及んだ。 ほぼ最高速度で飛行していた民間航空機が建物に衝突し、外壁を広範囲に切り裂き、内部に大きな被害を与えた。 それは直ちに崩壊を引き起こすのに十分ではなかったでしょうか？

ツインタワーは、経験したような損傷に耐えるように設計されていませんでした。 せいぜい、設計された時点では、誤って航空機がタワーの 1 つに衝突するのではないかという懸念がありました。 技術者は、どちらの建物でも火災は 1 つのフロアに限定される可能性が高く、スプリンクラー システムは適切に機能すると想定していたのかもしれません。

私たちが見たものは全く異なっていました。 多くの重要な構造要素が即座に破壊され、廃墟となったスプリンクラーのあるいくつかのフロアで同時に大規模な火災が発生しました。 建物が短期間ではありましたが、主にその構造に重量を支えるための冗長な機構があったためです。

9/11以前の塔の写真を見たことがあるでしょう。 外壁には狭い窓があり、その両側には異常に狭い間隔で配置された鋼鉄の柱がありました。 床レベルにも深い梁があり、建物の表面を覆う鋼鉄の緻密な格子を形成していました。

溶接の多くはオフサイトで行われました。 高さ 3 階建て、幅 3 列の格子パネルが工場で製造され、マンハッタンのダウンタウンに輸送されました。 強度を高めるために、これらのパネルはパズルのピースのように垂直に互い違いに配置され、すべての上部と下部が同じ床面に位置しないようにしました。

各建物の 4 つの側面は、窓スロットを備えたチューブを形成しました。このチューブは、建物とその内容物の重量を直接基礎に伝えるように設計されています。 壁は、建物と同じくらい幅と高さがあり、風荷重を吸収するために横に曲がる垂直の梁として機能しました。

航空機が外壁の柱と梁の列を切り取ると、損傷の上の格子のフィールドが、数階の深さの水平梁を提供して、裂け目を越えました。 同時に、損傷した外壁の一部が上の構造物からぶら下がっていました。

密に配置された構造要素の強度により、壁が完全に破損することなく、多少のたわみが可能になりました。 その状態では、そびえ立つ塔により、衝突床下や周囲の建物にいた多くの居住者が逃げることができました。

タワー内部の激しい火災により、外壁を支えていた床システムが弱くなり、最終的に破壊が発生しました。 壁が座屈すると、建物の上部がブロックとして落下し、斧の頭を木に突き刺して木を割るように、下の階に突き刺さりました。

9/11に国防総省が飛行機で攻撃されたこともわかっています。 おそらくあまり知られていないが、被害を受けた地域の一部は崩壊するまで約 20 分間放置されていたということだ。 5階建てのペンタゴンは、1階に墜落した飛行機によって下敷きになり、そこにある多数の柱と上の階のいくつかの柱が破壊された。 それでも、崩壊する前に上 3 階の全員が避難できるほど長く持ちこたえた。

ペンタゴンには、「双方向」床システムを備えた鋼鉄筋コンクリートのフレームがあり、梁が柱の間を双方向に走り、重量を支える二次的な機構を提供しています。 柱が破壊されると、上の建物が傾きました。 しかし十字に交差した床の梁損傷部分の上の領域を支えるネットの役割を果たしました。

国防総省の柱も含め、基本的にすべてのコンクリート柱は埋め込まれた垂直の鋼棒で覆われており、コンクリートと協働して重量を支えます。 コンクリート柱には、垂直鉄筋を包み込んで支え、中央にコンクリートを閉じ込める水平鋼棒もあります。 国防総省が建設された 1940 年代には一般的であったように、水平の鉄筋がらせん状に曲げられ、各柱の高さいっぱいに垂直の鉄筋を巻き付けていました。

柱の強化パターンにより延性が生まれ、致命的な破断を起こすことなく急激に変形する可能性がありました。 垂直と水平の鉄筋でできた檻の中にしっかりと閉じ込められ、損傷した柱の多くの中央のコンクリートは、柱がバナナの形に曲がり、高さの途中で最大で3まで湾曲したにもかかわらず、所定の位置に留まりました。ケージの直径の倍。 あれだけの変形があっても、多くのひどく損傷した柱が重量を支えていたため、ネットとして機能する必要がある床の面積が制限されていました。

最終的に崩壊した国防総省の部分は、飛行機によるアンダーカットの合計よりもはるかに少なかった。 塔と同様に、この塔も激しい火災で重要な梁と柱がさらに弱まったために倒壊しました。

構造工学の専門家は、実践を改善するために 9/11 などの出来事を研究しています。 これらの研究の多くは、米国土木学会の構造工学研究所などの組織によって実施されています。( SEI/ASCE)、国立標準技術研究所、および連邦緊急事態管理庁は、極端な攻撃に対する耐性を強化する冗長性や延性などの特性を文書化しています。 その情報に基づいて、研究者や現役の構造技術者は、構造物を日常使用において安全かつ経済的に、また損傷時にも耐えられるものにするために努力しています。

特に懸念されるのは、非常に局所的な被害に続いて広範囲に崩壊する「不均衡な崩壊」の可能性である。 9/11のときのように、甚大な被害があれば倒壊につながる可能性があると予想していますが、一般的な火災、爆発、あるいは道路を誤った車両による衝突などの小さな出来事による連鎖的な倒壊を防ぐよう努めています。

1995 年にオクラホマシティのアルフレッド P. ムラ連邦ビルが爆破された後、SEI/ASCE は爆発に耐える設計のための新しいガイダンスを発表しました。 最終的に世界貿易センターと国防総省を破壊した火災を受けて、SEI/ASCE は建物に対する火災の影響をより適切に分析することを提唱しました。 間もなく、SEI/ASCE は不均衡な崩壊の可能性を軽減するためのアドバイスを発表する予定です。 追加情報を収集して広めるために、SEI/ASCE は、技術者が失敗から得た教訓を共有するための情報交換所である、安全な構造に関する共同報告機関 (Collaborative Reporting for Safer Structures US) を設立しました。

構造技術者は皆と同じように、9/11 の人的、物理的、社会的損失を悼み、将来的に壊滅的な構造欠陥が起こる可能性を恐れています。 しかし、エンジニアや建設業界のその他のパートナーは、障害が発生しても満足しません。 私たちは勉強し、学び、改善していきます。

これは意見および分析記事であり、著者によって表明された見解は必ずしも Scientific American の見解ではありません。

ドナルド・デュセンベリーコンサルティング エンジニアであり、米国土木学会構造工学研究所の元会長です。

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