بررسی علل فرو ریزی برج های دوقلوی تجارت جهانی

● چکیده
فروریزی ساختمان های دوقلوی مرکز تجارت جهانی واقع در نیویورک آمریکا در واقعه ۱۱ سپتامبر ۲۰۰۱ میلادی خسارات اقتصادی و پیامدهای سیاسی قابل توجهی را در پی داشت، ولی فرصت بسیار ارزشمندی را جهت بررسی سیستم سازه ای این دو ساختمان که زمانی جزو بزرگترین ساختمان های مهندسی ساخته ی دست بشر بودند و حتی تا چندی پیش یعنی در دهه ۷۰ مرتفع ترین آسمانخراشهای دنیا به حساب می آمدند، فراهم آورد. کلیه ی مراحل اجرایی اعم از خاکبرداری، پی ریزی، نصب ستون ها وخرپاهای کف و… وهمچنین حفاظت و پاسخ در مقابل حریق که یکی از مباحث عمده در ارتباط با ساختمان های بلند مرتبه ی فولادی به شمار می آید، تماماً حاوی نکات قابل توجهی است که به دقت مورد بررسی قرار گرفته است.
همچنین وقوع این حادثه، این امکان را فراهم آورد تا با در دست داشتن یک مدل واقعی و تجربی، نحوه ی عملکرد و پاسخ ساختمان ها را در طی این تصادم و انهدام، بررسی نمود. گروه ها، اشخاص و سازمان های مختلفی علل فرو ریختن ساختمان ها را بررسی کرده اند. از بین گزارشات ارائه شده، کامل ترین گزارش مربوط به " آژانس مدیریت بحران فدرال " می باشد. آژانس مذکور برای تهیه ی گزارش خود، کمیته ی ویژه ای را با عنوان " کمیته بررسی عملکرد ساختمان ها " تشکیل داد، که از متخصصینی در زمینه ی طراحی ساختمان های بلند، ساختمان های فولادی واتصالاتشان و همچنین متخصصینی در زمینه ی آتش سوزی و اطفاء حریق بهره می جست، و با انجام تحلیل های سازه ای، بررسی های محلی، مرور صدها ساعت فیلم وهزاران قطعه عکس این گزارش را تهیه کرد، و در نهایت کار این کمیته منجر به توصیه هایی برای انجام تحقیقات بیشتر در زمینه های مختلف وهمچنین تغییراتی در آیین نامه های طراحی و اجرایی گردید.به طور کلی سعی بر آن است که دراین مقاله به این پرسش پاسخ داده شود، که چرا با وجود اینکه در طراحی ساختمان های دو قلوی مرکز تجارت جهانی، بر خورد یک فروند هواپیمای بویینگ ۷۰۷ در نظر گرفته شده بود، وحفاظت در مقابل حریق به نحو احسنت بر روی هر دو ساختمان اجرا شده بود، هر دو عامل فوق نهایتاً باعث فروریزی ساختمان ها شد !
▪ پلان سایت مرکز تجارت جهانی
مساحت زمین ۶۴۰۰۰ متر مربع و مساحت اشغال شده توسط مجموعه‌ی ۷ گانه ساختمان‌های تجارت جهانی چیزی در حدود ۲۰۰۰۰ متر مربع می‌باشد که با احتساب طبقات این ۷ ساختمان کلاً ۱۱۱۵۰۰۰ متر مربع مساحت قابل استفاده را در اختیار گذاشته بودند.
▪ بررسی زمانی ، نحوه برخورد
ساختمان شماره ۱ در ساعت ۸:۴۶ دقیقه صبح از جانب جبهه‌ی شمالی در محدوده‌ی طبقات ۹۸- ۹۴ مورد اصابت یک فروند هواپیمای مسافربری بوئینگ ۷۶۷ قرار گرفت. ساختمان شماره ۲ در ساعت ۹:۰۳ دقیقه صبح ( ۱۷ دقیقه بعد ) از جانب جبهه‌ی جنوبی در محدوده‌ی طبقات ۸۴- ۷۸ مورد اصابت یک فروند هواپیمای بوئینگ ۷۶۷ قرار گرفت. در زمان برخورد ۵۸۰۰۰ نفر در محل، اعم از ساختمان‌های مرکز تجارت جهانی، خطوط مترو و جاده‌های اطراف حضور داشتند. ساختمان شماره ۲ در ساعت ۹:۵۹ دقیقه ( یعنی ۵۶ دقیقه پس از برخورد ) فروریخت.
▪ روسازه‌ی برج‌های دوقلوی تجارت جهانی
هر کدام از ساختمان‌های دوقلوی تجارت جهانی ۱۱۰ طبقه بالای زمین و ۹ طبقه زیرزمین داشتند که کلاً ارتفاعشان از تراز پایه ۴۱۷ متر بود و همچنین روی ساختمان ساختمان شماره ۱ یک دکل آنتن به ارتفاع ۱۱۰ متر قرار گرفته بود. پلان برج‌های دوقلوی تجارت جهانی به صورت مربعی به اضلاع۶۳m x ۶۳m با پخ ۱.۲ متر در گوشه‌ها بود. هسته مرکزی ابعادی در حدود ۲۶.۵m x ۲۴m داشت که در آن ۳ پله خروجی، ۹۹ آسانسور و ۱۹ پله برقی جای داده شده بود. ساختمان‌های شماره ۱ و ۲ مشابه بودند، ولی ...
▪ نحوه‌ قرار گرفتن و آرایش ستون‌ها
ستون‌ها به صورت قطعات از قبل مونتاژ شده‌ی ۳ تایی به ارتفاع ۳ طبقه بودند که توسط پلیت هایی به ارتفاع ۱۳۲ سانتی متر در تراز طبقات به هم متصل شده بودند که در واقع این پلیت ها، پس از اجرای کامل در دور تا دور ساختمان حکم تیرهای محیطی را داشتند، بدین ترتیب که یک دیواره‌ی مجوف فولادی را در دور تا دور ساختمان‌ها ایجاد کرده بودند. ستون‌ها در ارتفاع ۷ طبقه از تراز پایه ۳ تا ۳ تا یکی شده بودند.
▪ سیستم کف
سیستم کف متشکل از ۴ اینچ ( ۱۰ سانتی متر ) بتن سبک بود که بر روی ورق موج دار فولادی به ضخامت ۳.۸ سانتی متر اجرا شده بود و هر چه به هسته مرکزی نزدیک تر می‌شدیم ضخامت بتن کف حدوداً ۱ اینچ افزایش پیدا می کرد و به ۱۲.۷ سانتی متر می رسید.
▪ نحوه‌ و چگونگی نگهداری سیستم کف
در بیرون هسته، عرشه‌ی فلزی توسط یک سری از خرپاهای مرکب کف تحمل می‌شد،که ما بین دیوار خارجی و هسته مرکزی قرار داشتند. این خرپاهای طولی توسط خرپاهای عرضی به هم بسته می‌شدند.
▪ حوه‌ی اتصال خرپاهای اصلی با دیواره‌ی خارجی و هسته مرکزی
تقریباً در حدود ۱۰۰۰۰ دمپر ویسکوالاستیک که به یال تحتانی خرپاها متصل بود، استفاده شده بود که این تکنولوژی برای اولین بار در ساختمان‌های بلند مرتبه بکار رفته بود، تا حرکات ناشی از باد برای استفاده کنندگان و ساکنان برج‌ها کمتر محسوس باشد. بین طبقات ۱۰۶ تا۱۱۰ یک سری از مهاربندهای قطری در قاب ساختمانی استفاده شده بود.
▪ پی سازه
این پی یک پی گسترده‌ی ضخیم بود که درون سنگ بستر حفر و اجرا شده بود و از شبکه تیرهای فولادی عمود بر هم جهت انتقال بار ستون‌های سنگین به پی استفاده شده بود.
▪ ساخت و اجرا
پس از اینکه طرح معماری توسط Minoru Yamasaki تهیه و توسط تیم سازه‌ای Skilling این طرح سازه‌ای شد، از آگوست ۱۹۶۶ خاکبرداری محوطه شروع شد. در آگوست سال ۱۹۶۸ ( یعنی دقیقاً ۲ سال پس از شروع خاکبرداری ) نصب سازه‌ی فولادی شروع شد و در دسامبر ۱۹۷۰به بهره‌برداری رسید.
▪ حفاظت در مقابل حریق
در ارتباط با ساختمان‌های فولادی حفاظت در مقابل حریق یکی از مباحث مهم و اساسی به شمار می‌آید ( به دلیل ایجاد تنش‌های حرارتی در اعضای فولادی با بالا رفتن دما ). در ارتباط با ساختمان‌های دوقلوی تجارت جهانی برای افزایش مقاومت ساختمان در مقابــل حریق دو نوع حفاظت Active وPassive پیش بینی شده بود.
▪ حفاظت Passive
این حفاظت عمدتاً بصورت استفاده از پوشش‌های محافظ برای اجزاء سازه‌ای در نظر گرفته شده بود، که این پوشش‌های محافظ یک مخلوط کارخانه‌ای الیاف تیپ سیمانی بودند که با مواد افزودنی، مواد سرامیکی و آب ترکیب و اسپری می‌شدند. ضخامت قشر محافظ خرپاها بصورت متوسط ۱.۶ سانتی متر بود که در سال ۱۹۹۰ تصمیم گرفته شد.
▪ حفاظت Active
اولین خط دفاعی در مقابل آتش‌سوزی افشانک‌ها بودند که البته این افشانک‌ها در موقع ساخت نصب نشده بودند ولی در سال ۱۹۹۰ از افشانک ها در هر دو ساختمان استفاده شد. دومین خط دفاعی مقابله‌ی دستی با آتش بود که بدین منظور در راه پله‌ها لوله‌های آتش‌نشانی در هر کف وجود داشت. منابع آب لازم برای اطفاء حریق توسط ۳ عدد پمپ که در طبقات ۷،۴۱ و۷۵ قرار داشتند، از منبع آب شهری پر می‌شدند و پمپ‌ها طوری طراحی شده بودند که اگر پمپ میانی خراب می‌شد، پمپ پائینی می‌توانست وظیفه‌ی آن را به عهده بگیرند. منابع ۱۹۰۰۰ لیتری در طبقـات ۴۱،۷۵و۱۱۰ آب را به لوله‌های آتش نشانی می‌رساندند. علاوه بر موارد فوق یک تیم ۲۵ نفره ی آتش نشان‌ها مستقیماً مسئولیت اطفاء حریق در این ساختمان‌ها یعنی مجموعه‌ی WTC را بر عهده داشتند.
▪ اسخ ساختمان‌ها
در سال ۱۹۴۵ بدلیل مه شدید یک فروند بمب‌افکن B۲۵ که قصد فرود داشت به ساختمانEmpire State Building برخورد کرد. همین بهانه سبب شد که در طرح سازه‌ای این دو ساختمان اصابت یک بوئینگ ۷۰۷، تقریباً در شرایط مشابهی در نظر گرفته شود و فرض شده بود که بوئینگ ۷۰۷ وزنی حدود ۱۲۰ تن و سرعتی معادل با۲۹۰Km/h داشته باشد. هواپیماهایی که در واقعه ۱۱ سپتامبر با برج‌های دوقلوی تجارت جهانی برخورد کردند،هواپیماهای بوئینگ ۷۶۷ از نوع ۲۰۰ER بودند.
▪ ساختمان WTC۱
ساختمان شماره یک از جانب جبهه ی شمالی ( تقریباً وسط ) و در محدوده‌ی طبقات ۹۴ تا ۹۸ ضربه خورد. حداقل ۵ تکه‌ی ۳ ستونی کنده شد و به داخل پرتاب شد و قسمتی از کف که توسط این ستون‌ها تحمل می‌شد به صورت موضعی خراب شد. در اطراف مرکز، ستون‌ها با تصادم بال هواپیما شکسته شدند. تصاویر نشان می‌دهد حدود ۳۱ تا ۳۹ ستون در ارتفاع حدود ۴ طبقه در ضلع شمالی خراب شدند. میزان خساراتی که به ستون‌ها و تیرهای هسته مرکزی وارد شده نامعلوم است.
▪ روند خرابی
به دنبال برخورد بارهای ثقلی کف‌هایی که ابتدا به صورت فشاری توسط ستون‌های خارجی تحمل می‌شد به سوی دیگر مسیرهای انتقال بار منتقل شدند. پس بنابراین قسمت عمده‌ی بار ستون‌هایی که تخریب شده بودند به ستون‌های که پیرامونی منتقل شد. آنالیزهای اولیه بر روی ساختمان شماره ۲ که تقریبآً در وضعیت مشابهی قرار داشت، نشان داد که ستون‌های مجاور ستون‌های تخریب شده ۹ برابر بار بیشتری را پس از برخورد تحمل می‌کردند، که البته در طراحی، این ستون‌ها ذاتآً برای بارهای ثقلی اضافه طراحی شده بودند. حال اگر از کاهش در سختی جانبی ناشی از خرابی دیافراگم کف‌ها صرف نظر کنیم و از کاهش مقاومت به دلیل افزایش درجه حرارت هم صرف نظر شود، اغلب ستون‌ها بارهای بزرگی در حدود ظرفیت نهایی خود را تحمل می کردند.
▪ عامل حریق
هر هواپیما حدود ۳۸۰۰۰ لیتر بنزین داشت و فیلم‌ها هم نشان داد که هواپیماها قبل از آتش گرفتن به طور کامل وارد ساختمان ها شدند. سوخت هواپیماها که به صورت توده ی آتشین در آمده بود، فشار داخلی را به شدت افزایش داد و قسمت عمده‌ای از این سوخت به داخل داکت‌ها و سوراخ‌های ایجاد شده در کف به هنگام ضربه، به پائین فرو ریخت. درجه حرارت در برخی سطوح حدود ۹۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد و در برخی سطوح حدود ۴۰۰ تا ۸۰۰ درجه سانتیگراد تخمین زده می‌شود.
▪ ساختمان WTC۲
ساختمان شماره ۲ از جانب ضلع جنوبی در طرف شرق مورد اصابت قرار گرفت. پس از برخورد ۶ تکه ی ستون ۳ تایی در قسمت میانی خراب شدند و بخشی از کف‌های طبقات ۷۸ تا ۸۴ آسیب دیدند. در قسمت‌هایی که مورد اصابت بال هواپیما قرار گرفته بودند،فقط ستون‌های خارجی آسیب دیدند. عکس‌ها مبین این است که حدود ۲۷ تا ۳۲ ستون در ضلع جنوبی ساختمان در ارتفاع ۵ طبقه آسیب دیدند.
▪ تفاوت‌های میان تصادم هواپیما‌ها با WTC۱ وWTC۲
تفاوت‌های میان تصادم هواپیما‌ها با ساختمان های شماره ۱ و ۲ که از عوامل تسریع روند خرابی ساختمان شماره ۲ نسبت به ساختمان شماره ۱ می باشد، عبارتند از:
۱) سرعت برخورد هواپیماها به ساختمان شماره ۱ حدود ۷۵۰ km/h و به ساختمان شماره ۲ حـــدود ۹۵۰ km/h بود.
۲) قسمت ضربه دیده در ساختمان شماره یک تقریباً در وسط ضلع بود، در حالی که در ساختمان شماره ۲ این برخورد به قسمت گوشه شرقی وارد شده بود.
۳) به دلیل قرار گرفتن شمالی - جنوبی هسته در ساختمان شماره ۲ قطعات هواپیما فقط حدود ۱۰.۵ متر تا خرابی اجزاء هسته فاصله داشتند.
۴) طبقات آسیب دیده در ساختمان شماره ۲ حدود ۲۰ طبقه پائین تر از طبقات ضربه دیده در ساختمان شماره ۱ قرار داشتند، بنابراین ستون‌ها بار بیشتری را تحمل می کردند و به همین دلیل تسریع روند خرابی در ساختمان شماره ۲ بالا‌تر بود.
● طرح های پیشنهاد شده برای جایگزین کردن برجهای دوقلوی تجارت جهانی:
۱) Memorial Triangle: که شامل ۶ برج در زمینی پنج هکتاری به شکل مثلث می باشد.
۲) Memorial Park: که شامل پارکی به مساحت شش هکتار در بر گیرنده ی ۵ برج می باشد.
۳) Memorial Plaza: که شامل ۵ برج اداری به همراه یک برج یاد بود، مشابه برج های دوقلوی تجارت جهانی، در زمینی هشت هکتاری می باشد.
۴) Memorial Promenade: که شامل میادین عمومی، سایت های یادبودی، موزه و ساختمان های فرهنگی می باشد. این طرح در بر گیرنده ی ۶ برج در زمینی هجده هکتاری می باشد.
۵) Memorial Square: که شامل زمینی ده هکتاری به شکل مربع، در بر گیرنده ی ۴ برج اداری و۱ برج یادبودی مرکزی، مشابه برج های دوقلوی تجارت جهانی، پارکی غیر هم تراز، و مکان های فرهنگی و یادمانی می باشد.
همچنین در میان طرح های پیشنهاد شده، ۲ طرح دیگر نیز به چشم می خورد، که از لحاظ سبک معماری و سازه ای بسیار قابل توجه می باشند.
قابل ذکر است که در هیچ کدام از طرح های پیشنهادی بالا، در محل های اسبق برج های دوقلوی تجارت جهانی، احداث ساختمانی پیش بینی نشده است.

کیان عباس نژادی، فخرالشریعه شفیعی بابایی
مجله گزارش نظام مهندسی استان فارس، شماره ۴۵، ص ۳۹-۳۱

منبع : آسمان پارس