9/11: World Trade Center vuonna 2001. Tornien rakenne

11.9. tulee kuluneeksi 25 vuotta 9/11-tapahtumista.  Ryhdyn nyt hyvissä ajoin aiheen käsittelyyn.  Purtavaa riittää.

World Trade Center New York

Pinta-alaa on ollut yli miljoona neliötä, 1 240 000 m2 (vuoden 2001 HS:ssä on pilkkuvirhe ja neliöitä sen mukaan on ollut vain 111 480.  Virhe kuvastaa hyvin sitä miten kokoa on ollut toimittajankin vaikeaa mieltää).

Yhden tornin jalanjälki 63×63 metriä. 110 kerrosta, tornien korkeudet 415 ja 417 metriä.  WTC 1:ssä oli lisäksi keskirunkoon kiinnitetty 109 metriä korkea vankkarakenteinen masto.  Kunkin kerroksen keskiosa, eli hissi- ym kuilut ovat olleet noin 1000 m2 alasta ja toimistopinta-alaa kussakin kerroksessa noin 2800 m2.  Se tekee pyörein luvuin 110 kerroksessa yhteensä noin 300 000 lattianeliötä per torni.

99 hissiä kummassakin tornissa.  Kapasiteetti 55 henkilöä/hissi, eri hissit kolmelle eri korkeudelle ja pikahissi katolle.

43 600 ikkunaa kussakin tornissa.  Ikkunat eivät ole olleet avattavia ja kaikkien niiden leveys on ollut 55 cm.  Teräsontelopalkkien vapaa väli ulkokehällä on ollut 60 cm, joten leveämpiä ikkunoita ei ole ollut mahdollista käyttää.

Ihmisiä rakennuksissa

WTC:n seitsemässä rakennuksessa on ollut 55 000 ihmistä töissä päivittäin (luku hiukan vaihtelee eri lähteissä, tämä on HS:stä 2001).  Suunnitteluvaiheessa ihmisiä on kuviteltu työskentelevän rakennuksissa jopa 130 000 ihmistä.

Suuria rakennuksia ovat olleet WTC 1, WTC 2 eli tornit sekä WTC 7, muista syistä kuin lentokoneen osumasta luhistunut teräsrakennus.  Suurin osa ihmisistä on työskennellyt näissä.

Loput WTC:t,  3, 4, 5 ja 6 ovat olleet pienenlaisia ja matalahkoja rakennuksia ja yksi näistä hotelli.
Vierailijoita on ollut päivittäin 90 000. HS 2001 mukaan. Kyseessä lienee melko summittainen arvio.

Koko, vertailua

Kruunuvuoren sillan pyloni hallitsee Helsingin kaupunkikuvaa nykyisin. Se on korkeudeltaan noin kolmannes WTC-tornien entisestä korkeudesta.

Muukin rakennusten mittakaava eroaa kovasti siitä mihin täällä on totuttu.  Esim. lentokone ei ole erityisen suuri esine rakennuksen kokoon nähden.

Rakenne

Keskusrunko on rakentunut toisiinsa kiinni hitsatuista teräksisistä ontelopalkeista jotka ovat ympäröineet rakennuksen keskiosaa missä hissikuilut, ilmavaihtokanavat ja portaikot ovat sijainneet.

Toinen ontelopalkkien kehä on muodostunut rakennuksen ulkokehästä.  Torneissa on ollut alumiininen ulkoverhoilu.  Ontelopalkit ovat olleet materiaalivahvuudeltaan järeämpiä rakennuksen alaosassa ja ohuempia rakennuksen yläosassa.

Pystyrunko, materiaali

Ontelopalkit ovat olleet japanilaista paloa kestävää erikoisterästä.  Myös pääarkkitehti on ollut japanilainen, Minoru Yamasaki.

Lattiat

Lattiat ovat olleet peltiä, liittolevyn tapaista profiilipeltiä.  Tasoitteena ja askelääni- ja paloeristeenä 10 cm:n betonivalu.  Peltilattian profilointi on toiminut osittaisena lattiaraudoituksena joten betonikin on jäykistänyt lattiaa.  Lattiat ovat kussakin kerroksessa olleet nelisnurkkaisen reikäleivän muotoisia, keskellä keskirungon sisällä ovat ólleet hissikuilut ja portaikot.  Lattiat on tuettu I-palkeilla ja trusseilla, kevytrakenteisilla lattiaa tukevilla putkikehikoilla (myös konsoleiksi kutsutuilla).

Palosuojaus

Kaikki rakenneosat, myös lattiatrussit ja lattioiden alapuoli on suojattu tulipalolta suojaavalla vermikuliitti-asbesti-eristevaahdolla.  Rakenneosia on palosuojattu myös kipsilevytyksin.

Väliseinät

Väliseinät ovat olleet palamatonta kipsilevyä (drywall).

Palokuorma

Palokuormaa rakennuksessa on syntynyt rakennuksissa lähinnä toimistokalusteista ja papereista.

Lentokoneen 40 tonnin palokuorma

Väitetään että suurin osa rakennukseen osuneen lentokoneen polttoaineesta, lentokerosiinista olisi palanut törmäyshetkellä, rakennuksen ulkopuolella.  Kerosiinilla on ollut osumahetkellä suuri liikenopeus, joten on hiukan vaikeaa ajatella sitä jääneen rakennukseen suuria määriä.

On esitetty kuitenkin arvio että vain 30 % kerosiinista (lamppuöljyn tai petroolin tapainen polttoaine) olisi palanut tulipallona rakennuksen ulkopuolella.  Joten jäljelle jäisi pyörein luvuin 30 tonnia rakennukseen jäänyttä polttoainetta.

30 tonnin määrä merkitsisi yhden kerroksen lattian kohdalla10 litraa/m2.  Jos polttoaine jaettaisiin koko rakennuksen alalle kerroksittain, määrä olisi luokkaa yksi desilitra per lattianeliö.

Voidaan ajatella että hissikuiluista olisi muodostunut palohormin kaltainen rakenne, mutta 30 tonnia ei riitä kuumentamaan osumakohdan alapuolista noin 300 metrin korkuista kuilua ja muuta merkittävää palokuormaa ei hissikuiluissa ole, kuin mahdollinen sinne valunut polttoaine.  Ei ainakaan ole tiedossa että kuiluissa olisi ollut erityistä palokuormaa.

Jos kerosiinilastista olisi vaikka 20% joutunut keskikuiluun, se merkitsisi 300 m:n matkalla alaspäin kahtakymmentä litraa metrille tuhannen neliön laajuisessa hormissa.  On perusteltua olettaa etteivät paloeristeet ole vaurioituneet muualta kuin melko läheltä törmäyskohtaa (vaikkapa kolmen kerroksen korkeudelta).  Jos lasketaan että kuilun tilavuus on ollut kaikkineen noin 1000 m2 x noin 300 m törmäyskohdan alapuolella, olisi polttoainetta kokonaisuudessaan riittänyt desin verran kuutiometrille ja jos 20% siitä on valunut kuiluun, on polttoainetta riittänyt 0,2 desilitraa kuutiometrille.

Suuren rakennuksen teräksien sulattamiseen tai pehmentämiseen tarvittaisiin melkomoisia määriä polttoainetta, aivan eri suuruisia määriä kuin mitä lentokoneen tankeissa on ollut.

On syytä myös olettaa että polttoaine on palanut suhteellisen ripeään ja on hiukan auki miten palo olisi sen jälkeen jatkunut intensiivisenä.

Verkkorakenne

Rakennevahvuudet on mitoitettu kestämään Boeing 707-tyyppisen lentokoneen osuma.  707 ei kooltaan merkittävästi poikkea torniin osuneista koneista, painot 150 vs. 200 tonnia.  Polttoainetta molempien koneiden tankkeihin menee yhtäläiset määrät.  Keihäsmatkakäytössä olleeseen 707:ään on mennyt matkustajia lähes sama kuin reittiliikenteen 767:ään.  Koska molemmista koneista on monia versioita, nämä nyt vain suuruusluokkina.

Rakennuksen on laskettu pysyvän pystyssä vaikka palkkeja katkeaisikin. Palkkirivistöt ja niiden väliset sidokset muodostavat verkkorakenteen jossa useidenkin palkkien puuttuminen ei sorra verkkorakennetta. Ja rakennushan ei ole sortunut osumasta, ei edes osumakohdasta.

Rakennelaskelma, tuulikuorma

Rakennus, korkeana ja muodoltaan hoikkana on altis tuuliväännölle.  Koska ei ole tarkoitus että rakennus kaatuisi tuulessa, on rakennus mitoitettava siten ettei kovakaan tuuli kaataisi rakennusta.

Nämä pilvenpiirtäjät oli mitoitettu kestämään 130 km/h nopeuksisia tuulia.  Nykyiset määräykset edellyttäisivät rakenteiden mitoittamista kovemmille tuulille.

400 metrin korkuinen torni heiluu tuulessa ja WTC-torneissa heilunta on ollut 30 cm suuruista ylimmässä kerroksessa myrskyssä.  Se aiheuttaa herkille merisairauden oireita.  On tavanomaista että pilvenpiirtäjät heiluvat tuulessa ja heilunta voi olla ylimmissä kerroksissa jopa 45 cm.  Sellainen vaikeuttaa jo hiukan kävelyä.

Tuulen paine

Tuulen paine lisääntyy nopeuden neliössä.  Joten 10 sekuntimetrin navakan tuulen noustessa 36 metriin sekunnissa, nousee kuormitus noin 13-kertaiseksi.  Tätä voisi nimittää kansanomaisesti ladonovi-efektiksi.

Tuulen energia

Tuulen energia lisääntyy nopeuden kolmen potenssissa.  Joten 10 m/s noustessa 36 metriin sekunnissa tuulen energia nousee 46-kertaiseksi.  Ja muistaa täytyy että jo 10 m/s on navakka tuuli, puut heiluvat ja aallonharjoilla on vaahtoa (10 m/s on viiden beaufortin ylärajalla).

Minkä rasituksen tuulen energia, pitäisikö puhua tuulen potentiaalienergiasta, aiheuttaa rakennukselle, niin siinä kohden pitää nostaa kädet pystyyn, tätä matematiikkaa en tunne eikä sitä varmaankaan moni osaa laskea.

Tuuliväänne

Myrskyssä rakennukseen kohdistuu tuulen painetta tuulen puoleiseen seinään.  Vielä suurempi tuulikuorma syntyy siitä että rakennuksen suojan puolelle syntyy alipaine joka kiskoo rakennusta vielä voimakkaammin nurin.

Rakennuksen rungon nurjahdus

Ontelopalkit ovat vahvoja ylhäältä päin tulevaa kuormaa vasten.  Se ei ole todellakaan mikään ongelma teräsrakenteelle, rakenne kestää oman painonsa leikiten.  Rakenne on mitoitettava myrskytuuli huomioonottaen.  Rungon nurjahdus ja sitä kautta rakennuksen kaatuminen tuulessa on todellinen vaara ja sen tähden rakenne on mitoitettava kestämään tuulikuormaa joka kuormittaa rakennusta huomattavasti enemmän kuin mitä rakennuksen oma paino sitä kuormittaa.

Vertailu Empire State Building

Empire State Buildingia rakennettaessa ei ole ollut vielä saatavana ontelopalkkeja ja rakennus on rakennettu 30-luvulla I-palkeista niittaamalla.  Rakenteen suhteellinen heikkous näkyy siinä että alustaa on ollut pakko levittää että rakennus kestäisi tuulen paineen.  Empire State Building on alhaalta merkittävästi laajempi kuin huipulta.

Empire State Building oli maailman korkein rakennus, 381 metriä, aina WTC-tornien valmistumiseen saakka.
WTC-tornit osoittavat miten ontelopalkit ovat mahdollistaneet hyvin hoikan, myös alhaalta hoikan rakenteen ja samalla hyvin korkean ja yläosastaankin yhtä laajan rakenteen.

Ulkonäkö pettää.  Vaikka WTC-tornien rakenne on hoikka, niin suurin osa teräksistä on alempana rakennusta ja rakennuksen huippu on kevytrakenteisempi kuin rakennuksen alaosa.

Hoikkuus on myös suhteellista, läheltä katsoen 63 m pitkä julkisivu ei tietenkään vaikuta enää hoikalta.  Kyseessä on ollut todella iso rakennus.

Muita vertailuja

Naula.  Vertaillaan yksinkertaisinta teräsrakennetta, naulaa.  Kestää hyvin iskuja ylhäältä päin mutta sivulta päin kohdistuva isku taivuttaa naulan helposti.

Masto.   Ajatellaanpa metallista mastoa:  Ne lienevät yleisimpiä ontelopalkkeja.  Tiedetään hyvin että masto voi katketa ja niitä silloin tällöin katkeaakin.  Usein katkeaminen liittyy siihen että tuenta ei ole onnistunut.  WTC-rakennuksissa ontelopalkit oli tuettu toisiinsa tiheävälisesti.

Ymmärretään hyvin että masto voi katketa. Harva lienee kumminkaan kuullut että masto olisi luhistunut, siten että mastonkengälle olisi lysähtänyt kasa romua.

Teräslaiva on eräänlainen ontelopalkki.  Niitä katkeaa silloin tällöin mutta luhistuneista laivoista ei olla kuultu, ei vaikka jokunen laiva on törmännyt kovalla vauhdilla laituriin.  Laivapalot voivat kestää päiväkausia mutta rakenteet eivät luhistu vaan sulavat ja menevät mutkille ja painuvat alas.

Voimalinjat.  Voimalinjojen kannatteluun käytetään metallirakenteita.  Niissä vain pieni ongelma on langan kannatus.  Siihen riittäisi hyvinkin vaatimaton putki.  Rakenteen täytyy kuitenkin kestää tuuli.  Tuulen takia rakenteet ovat paljon järeämpiä kuin mitä lankojen kannatteluun tarvittaisiin.

Voimalinjoissa käytetään monimutkaisia ristikkorakenteita.  Mikäli ontelopalkkeja käytetään, tulee rakenteesta hyvin siro ja yksinkertainen ja silti yhtä kestävä.

Tällainen rakenne on ollut myös WTC-torneissa.  Tornien yllättävä luhistuminen herätti monissa epäuskoa ja epäluuloa siitä että luhistumiseen voisi olla muita syitä kuin lentokoneen törmäys tai että rakennuksen luhistuminen voisi johtua lentokoneen aiheuttamasta tulipalosta.

WTC 7-rakennuksesta olisi tarkoitus tehdä vastaavanlainen selostus.