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¿Por qué se derrumbaron las torres gemelas?

Ha habido numerosos informes que detallan la causa del colapso de la Torre del World Trade Center el 11 de septiembre de 2001. La mayoría ha proporcionado explicaciones cualitativas; sin embargo, análisis cuantitativos simples muestran que algunas conclusiones comunes son incorrectas; por ejemplo, el acero no se podía derretir en estas llamas y había más daño estructural que el mero ablandamiento del acero a temperaturas elevadas. Se presentan algunas pautas para mejoras en estructuras futuras.




EL DISEÑO

Las torres fueron diseñadas y construidas a mediados de la década de 1960 hasta principios de la de 1970. Representaban un nuevo enfoque de los rascacielos en el sentido de que debían ser muy livianos e involucrar métodos de construcción modular para acelerar el cronograma y reducir los costos. Para un ingeniero estructural, un rascacielos se modela como una gran columna vertical en voladizo. Cada torre tenía 64 m cuadrados, 411 m sobre el nivel de la calle y 21 m bajo el nivel del suelo. Esto produce una relación de altura a ancho de 6,8. El peso total de la estructura fue de aproximadamente 500.000 t, pero la carga del viento, más que la carga de la gravedad, dominó el diseño. El edificio es una vela enorme que debe resistir un huracán de 225 km / h. Fue diseñado para resistir una carga de viento de 2 kPa, una carga lateral total de 5,000 t. Para que cada torre sea capaz de soportar esta carga de viento, los arquitectos seleccionaron un diseño ligero de “tubo perimetral” que consta de 244 columnas exteriores de sección de caja de acero cuadrada de 36 cm en centros de 100 cm.



Esto permitió ventanas de más de medio metro de ancho. Dentro de este tubo exterior había un núcleo de 27 m × 40 m, que fue diseñado para soportar el peso de la torre. También albergaba los ascensores, las escaleras y los elevadores mecánicos y los servicios públicos. Las viguetas de telaraña de 80 cm de altura conectaban el núcleo con el perímetro de cada piso. Se vertieron losas de hormigón sobre estas vigas para formar los pisos. En esencia, el edificio es una construcción de caja de huevos que tiene aproximadamente un 95 por ciento de aire, lo que explica por qué los escombros después del colapso tenían solo unos pocos pisos de altura.


La construcción de la caja de huevos hizo una estructura redundante (es decir, si se perdían una o dos columnas, las cargas se desplazarían hacia las columnas adyacentes y el edificio permanecería en pie). Antes del World Trade Center con su diseño de tubo perimetral liviano, la mayoría de los edificios altos contenían enormes columnas en centros de 5 my contenían cantidades masivas de mampostería que soportaban parte de la carga estructural. El WTC era principalmente una estructura de acero ligera; sin embargo, sus 244 columnas perimetrales lo convirtieron en “uno de los rascacielos más redundantes y más resistentes”. 1

EL IMPACTO DE LA LÍNEA AÉREA

Los primeros informes noticiosos señalaron qué tan bien las torres resistieron el impacto inicial de la aeronave; sin embargo, cuando se reconoce que los edificios tenían más de 1.000 veces la masa de la aeronave y habían sido diseñados para resistir cargas de viento constante de 30 veces el peso de la aeronave, esta capacidad para resistir el impacto inicial no es sorprendente. Además, dado que no hubo viento significativo el 11 de septiembre, las columnas del perímetro exterior solo se estresaron antes del impacto a alrededor de 1/3 de su diseño de 200 MPa permitido. El único componente metálico individual de la aeronave que es comparable en resistencia a las columnas del perímetro de la caja del WTC es la viga de la quilla en la parte inferior del fuselaje de la aeronave. Si bien el impacto de la aeronave sin duda destruyó varias columnas en el muro perimetral del WTC, la cantidad de columnas perdidas en el impacto inicial no fue grande y las cargas se trasladaron a las columnas restantes en esta estructura altamente redundante. De igual o mayor importancia durante este impacto inicial fue la explosión cuando se encendieron 90.000 litros de combustible para aviones, que comprenden casi 1/3 del peso de la aeronave. El incendio resultante fue claramente la principal causa del colapso.


EL FUEGO

El incendio es la parte más incomprendida del colapso del WTC. Incluso hoy, los medios informan (y muchos científicos creen) que el acero se derritió. Se argumenta que el combustible para aviones se quema muy caliente, especialmente con tanto combustible presente. Esto no es verdad. Parte del problema es que las personas (incluidos los ingenieros) a menudo confunden temperatura y calor. Si bien están relacionados, no son lo mismo. Termodinámicamente, el calor contenido en un material está relacionado con la temperatura a través de la capacidad calorífica y la densidad (o masa). La temperatura se define como una propiedad intensiva, lo que significa que no varía con la cantidad de material, mientras que el calor es una propiedad extensiva, que sí varía con la cantidad de material. Una forma de distinguir los dos es notar que si se agrega un segundo leño a la chimenea, la temperatura no se duplica; permanece aproximadamente igual, pero el tamaño del fuego o el tiempo que arde el fuego, o una combinación de los dos, se duplica. Por lo tanto, el hecho de que haya 90, 000 L de combustible para aviones en algunos pisos del WTC no significa que este fue un incendio inusualmente caliente. La temperatura del fuego en el WTC no era inusual, y definitivamente no era capaz de derretir acero. En la ciencia de la combustión, hay tres tipos básicos de llamas, a saber, un quemador de chorro, una llama premezclada y una llama difusa. Un quemador de chorro generalmente implica mezclar el combustible y el oxidante en proporciones casi estequiométricas y encender la mezcla en una cámara de volumen constante. Dado que los productos de combustión no pueden expandirse en la cámara de volumen constante, salen de la cámara como un chorro de muy alta velocidad, completamente quemado. Esto es lo que ocurre en un motor a reacción, y este es el tipo de llama que genera el calor más intenso. En una llama premezclada, la misma mezcla casi estequiométrica se enciende cuando sale de una boquilla, bajo condiciones de presión constante. No alcanza las velocidades de llama de un quemador de chorro. Un soplete de oxiacetileno o un mechero Bunsen es una llama premezclada. En una llama difusa, el combustible y el oxidante no se mezclan antes de la ignición, sino que fluyen juntos de manera descontrolada y se queman cuando las relaciones combustible / oxidante alcanzan valores dentro del rango de inflamabilidad. La llama de una chimenea es una llama difusa que arde en el aire, al igual que el fuego del WTC. Las llamas difusas generan las intensidades de calor más bajas de los tres tipos de llamas. Si el combustible y el oxidante comienzan a temperatura ambiente, se puede definir una temperatura máxima de llama. Para la combustión de carbono en oxígeno puro, el máximo es 3200 ° C; para el hidrógeno es 2.750 ° C. Por lo tanto, para prácticamente cualquier hidrocarburo, la temperatura máxima de llama, comenzando a temperatura ambiente y usando oxígeno puro, es de aproximadamente 3.000 ° C. Esta temperatura máxima de llama se reduce en dos tercios si se usa aire en lugar de oxígeno puro. La razón es que cada molécula de oxígeno libera el calor de formación de una molécula de monóxido de carbono y una molécula de agua. Si se usa oxígeno puro, este calor solo necesita calentar dos moléculas (monóxido de carbono y agua), mientras que con aire, estas dos moléculas deben calentarse más cuatro moléculas de nitrógeno. Por lo tanto, la quema de hidrocarburos en el aire produce solo un tercio del aumento de temperatura que la quema en oxígeno puro porque se deben calentar tres veces más moléculas cuando se usa aire. El aumento máximo de la temperatura de la llama para quemar hidrocarburos (combustible para aviones) en el aire es, por tanto, de unos 1.000 ° C, apenas suficiente para fundir acero a 1.500 ° C.


Pero es muy difícil alcanzar esta temperatura máxima con una llama difusa. No hay nada que garantice que el combustible y el aire en una llama difusa se mezclen en la mejor proporción. Por lo general, las llamas difusas son ricas en combustible, lo que significa que las moléculas de combustible en exceso, que no se queman, también deben calentarse. Se sabe que la mayoría de los fuegos difusos son ricos en combustible porque soplar en una fogata o usar el fuelle de un herrero aumenta la velocidad de combustión al agregar más oxígeno. Esta llama difusa rica en combustible puede volver a reducir la temperatura hasta en un factor de dos. Esta es la razón por la que las temperaturas en un incendio residencial suelen estar en el rango de 500 ° C a 650 ° C.


Se sabe que el incendio del WTC fue una llama difusa rica en combustible, como lo demuestra el copioso humo negro. El hollín se genera por combustión incompleta; por lo tanto, el incendio del WTC fue rico en combustible, lo que no sorprende con 90,000 L de combustible para aviones disponibles. Factores como el volumen de la llama y la cantidad de hollín disminuyen la pérdida de calor por radiación en el fuego, acercando la temperatura al máximo de 1000 ° C. Sin embargo, es muy poco probable que el acero en el WTC haya experimentado temperaturas superiores al rango de 750 a 800 ° C. Todos los informes de que el acero fundido a 1.500 ° C utilizan, en el mejor de los casos, terminología imprecisa.



Algunos informes sugieren que el aluminio de la aeronave se encendió, creando temperaturas muy altas. Si bien es posible encender el aluminio en condiciones especiales, tales condiciones no se alcanzan comúnmente en una llama difusa a base de hidrocarburos. Además, la llama sería candente, como una bengala gigante. No hubo evidencia de tal encendido de aluminio, que habría sido visible incluso a través del denso hollín.


Se sabe que el acero estructural comienza a ablandarse alrededor de 425 ° C y pierde aproximadamente la mitad de su resistencia a 650 ° C. 4 Esta es la razón por la que el acero se libera de la tensión en este rango de temperatura. Pero incluso una pérdida de fuerza del 50% sigue siendo insuficiente, por sí sola, para explicar el colapso del WTC. Se señaló anteriormente que la carga de viento controlaba los límites de diseño permitidos. El WTC, en este día de poco viento, probablemente no se estresó más de un tercio del diseño permitido, que es aproximadamente un quinto del límite elástico del acero. Incluso con su resistencia reducida a la mitad, el acero aún podría soportar dos o tres veces las tensiones impuestas por un fuego de 650 ° C.


El problema adicional fue la distorsión del acero en el fuego. La temperatura del fuego no era uniforme en todas partes, y la temperatura en el exterior de las columnas de la caja era claramente más baja que en el lado que daba al fuego. La temperatura a lo largo de las vigas de 18 m de largo ciertamente no fue uniforme. Dada la expansión térmica del acero, una diferencia de temperatura de 150 ° C de un lugar a otro producirá tensiones residuales en el nivel de fluencia. Esto produjo distorsiones en el delgado acero estructural, lo que resultó en fallas por pandeo. Así, la falla del acero se debió a dos factores: pérdida de resistencia debido a la temperatura del fuego y pérdida de la integridad estructural debido a la distorsión del acero por las temperaturas no uniformes en el fuego.

EL COLAPSO

Casi todos los edificios grandes tienen un diseño redundante que permite la pérdida de un miembro estructural principal, como una columna. Sin embargo, cuando fallan varios miembros, las cargas cambiantes eventualmente sobrecargan los miembros adyacentes y el colapso ocurre como una hilera de dominós cayendo. El diseño del tubo perimetral del WTC era muy redundante. Sobrevivió a la pérdida de varias columnas exteriores debido al impacto de un avión, pero el incendio resultante provocó otras fallas de acero. Muchos ingenieros estructurales creen que los puntos débiles, los factores limitantes de los permitidos de diseño, fueron los clips en ángulo que sujetaban las vigas del piso entre las columnas en la pared perimetral y la estructura central. Con un diseño de piso de 700 Pa permitido, cada piso debería haber podido soportar aproximadamente 1300 t más que su propio peso. El peso total de cada torre fue de unas 500.000 t.


Cuando las vigas de uno o dos de los pisos más quemados cedieron y las columnas de caja exteriores comenzaron a arquearse hacia afuera, los pisos por encima de ellas también cayeron. El piso de abajo (con su capacidad de diseño de 1.300 t) no pudo soportar las aproximadamente 45.000 t de diez pisos (o más) arriba que se derrumbaron sobre estos clips angulares. Esto inició el efecto dominó que provocó el colapso de los edificios en diez segundos, tocando fondo con una velocidad estimada de 200 km por hora. Si hubiera sido caída libre, sin ataduras, el colapso solo habría durado ocho segundos y habría impactado a 300 km / h. Se ha sugerido que fue una suerte que el WTC no se volcara sobre otros edificios que rodean el área. Hay varios puntos que deben hacerse. Primero, el edificio no es sólido; es 95 por ciento de aire y, por lo tanto, puede implosionar sobre sí mismo. En segundo lugar, no hay carga lateral, ni siquiera el impacto de una aeronave a toda velocidad, que es suficiente para mover el centro de gravedad cien pies hacia un lado de manera que no esté dentro de la huella de base de la estructura. En tercer lugar, dado el colapso cercano a la caída libre, no hubo tiempo suficiente para que las porciones alcanzaran una velocidad lateral significativa. Para resumir todos estos puntos, una estructura de 500.000 t tiene demasiada inercia para caer en cualquier dirección que no sea casi hacia abajo.

¿FUE DISEÑADO DEFECTUOSAMENTE EL WTC?

El World Trade Center no fue diseñado de manera defectuosa. Ningún diseñador del WTC anticipó, ni debería haber anticipado, un cóctel Molotov de 90.000 L en uno de los pisos del edificio. Los rascacielos están diseñados para sostenerse por sí mismos durante tres horas en caso de incendio, incluso si el sistema de rociadores no funciona. Este tiempo debe ser suficiente para evacuar a los ocupantes. Las torres del WTC duraron de una a dos horas, menos que la vida útil del diseño, pero solo porque la carga de combustible contra incendios era muy grande. Ningún incendio normal de oficinas llenaría 4.000 metros cuadrados de espacio en los segundos en que se desarrolló el incendio del WTC. Por lo general, el fuego tardaría hasta una hora en extenderse de manera tan uniforme a lo ancho y ancho del edificio. Este fue un incendio muy grande y de rápido progreso (calor muy alto, pero no una temperatura inusualmente alta).


A DÓNDE VAMOS DESDE AQUÍ

La limpieza del World Trade Center llevará muchos meses. Después de todo, 1.000.000 de toneladas de escombros requerirán de 20.000 a 30.000 camiones cargados para transportar el material. El aislamiento de amianto contra incendios hace que la tarea sea peligrosa para quienes trabajan cerca. Curiosamente, las aproximadamente 300.000 toneladas de acero son totalmente reciclables y solo representan la producción de un día de la industria siderúrgica estadounidense. La separación de la piedra y el hormigón es un asunto común para las trituradoras de acero modernas. El vertido de 700.000 t de escombros de hormigón y piedra es más problemático. Sin embargo, el volumen equivale a seis campos de fútbol, ​​de 6 a 9 m de profundidad, por lo que es manejable. Sin duda, habrá una serie de cambios en los códigos de construcción como resultado de la catástrofe del WTC. Por ejemplo, los sistemas de comunicación de emergencia deben actualizarse para acelerar el aviso de evacuación y las rutas de salida más seguras. Los sistemas de iluminación de emergencia, separados de la iluminación normal de los edificios, ya están en el tablero de dibujo como resultado de las lecciones aprendidas del bombardeo del WTC en 1993. Sin duda habrá una mejor protección contra incendios de los miembros estructurales. Se considerará la protección contra la inhalación de humo, los materiales que absorben energía y los medios de salida redundantes. Una evaluación de ingeniería básica del diseño del World Trade Center disipa muchos de los mitos sobre su colapso. Primero, el diseño del tubo perimetral de las torres las protegía de fallar en el impacto. Las columnas exteriores fueron diseñadas para endurecer las torres con viento fuerte y protegían el núcleo interior, que sostenía la carga de gravedad. La eliminación de algunas de las columnas exteriores por sí sola no pudo derribar el edificio. Además, debido a la rigidez del diseño del perímetro, fue imposible que el impacto de la aeronave derribara el edificio.

Sin embargo, el edificio no pudo resistir el intenso calor del fuego del combustible para aviones. Si bien era imposible que el fuego de llama difusa, rico en combustible, ardiera a una temperatura lo suficientemente alta como para derretir el acero, su encendido rápido y su calor intenso hicieron que el acero perdiera al menos la mitad de su resistencia y se deforme, causando pandeo o mutilación . Este debilitamiento y deformación provocó la caída de algunos pisos, mientras que el peso de los pisos por encima de ellos aplastó los pisos de abajo, iniciando un colapso de dominó. No sería práctico diseñar edificios para soportar la carga de combustible inducida por un avión comercial en llamas. En lugar de salvar el edificio, los ingenieros y funcionarios deberían centrarse en salvar las vidas de los que están dentro diseñando mejores sistemas de seguridad y evacuación. Como científicos e ingenieros, no debemos sucumbir al pensamiento especulativo cuando ocurre una tragedia como esta. El razonamiento cuantitativo puede ayudar a separar los hechos de la ficción y puede ayudarnos a aprender de este lamentable desastre. Como dijo Lord Kelvin,

“Digo a menudo. . . que cuando puedes medir lo que estás hablando y expresarlo en números, sabes algo al respecto; pero cuando no puedes medirlo, cuando no puedes expresarlo en números, tu conocimiento es de tipo magro e insatisfactorio; puede ser el comienzo del conocimiento, pero apenas has avanzado, en tus pensamientos, a la etapa de la ciencia, cualquiera que sea el asunto ".

Saldremos adelante de la tragedia del WTC y diseñaremos edificios mejores y más seguros en el futuro basados, en parte, en las lecciones aprendidas en el WTC. La razón por la que el colapso del WTC despierta nuestras emociones tan profundamente es porque fue un ataque intencional contra personas inocentes. Es más fácil aceptar tragedias naturales o involuntarias; es la pérdida intencionada de vidas lo que nos hace temer que algunas personas hayan perdido su humanidad.


Fuente: tms

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