O que os engenheiros estruturais aprenderam com 11 de setembro

Os eventos de 11 de setembro abalaram o mundo. Antes desse dia, não podíamos imaginar que alguém seria ousado e cruel o suficiente para cometer tamanha violência. Não podíamos imaginar que dois arranha-céus icônicos de 110 andares desabariam no meio de uma cidade dos Estados Unidos, destruindo e destruindo outros prédios por centenas de metros em todas as direções. Nós nos perguntamos: “Como isso pôde acontecer? Como eles podem entrar em colapso? ” São perguntas naturais que expressam a extensão da perda que sentimos naquele dia.

Os engenheiros estruturais também fizeram essas perguntas, mas também fizeram a pergunta contrastante: como as torres do World Trade Center conseguiram resistir ao ataque, mesmo por um curto período? O dano foi extenso. Aeronaves comerciais voando quase em velocidade máxima colidiram com os prédios, cortando grandes faixas nas paredes externas e infligindo extensos danos internos. Isso não deveria ter sido o suficiente para causar um colapso imediato?

As torres gêmeas não foram projetadas para resistir ao tipo de dano que sofreram. No máximo, quando foram projetados, havia a preocupação de que uma aeronave errante pudesse atingir acidentalmente uma das torres. Os engenheiros podem ter presumido que os incêndios em qualquer um dos edifícios provavelmente se limitariam a um andar e que os sistemas de sprinklers funcionariam corretamente.

O que vimos foi muito diferente. Muitos elementos estruturais importantes foram destruídos instantaneamente e grandes incêndios ocorreram simultaneamente em vários andares com sprinklers destruídos. Os edifícios se ergueram, embora brevemente, principalmente porque suas estruturas tinham mecanismos redundantes para suportar o peso.

Você viu fotos das torres anteriores ao 11 de setembro. As paredes externas tinham janelas estreitas ladeadas por colunas de aço anormalmente próximas. Também havia vigas profundas nos níveis do piso, formando uma treliça de aço que cobria as superfícies dos edifícios.

Grande parte da soldagem foi realizada fora do local. Painéis de treliça de três andares de altura por três colunas de largura foram fabricados em uma fábrica e transportados para o centro de Manhattan. Para aumentar a resistência, esses painéis foram escalonados verticalmente, como peças de um quebra-cabeça, de modo que todas as partes superiores e inferiores não se alinhavam no mesmo nível do chão.

Os quatro lados de cada edifício formavam um tubo com ranhuras para janelas. Este tubo foi projetado para carregar o peso do edifício e seu conteúdo diretamente para baixo até as fundações. As paredes funcionavam como vigas verticais, largas e altas como os edifícios, que se curvavam para o lado para absorver as cargas do vento.

Quando a aeronave cortou fileiras de colunas e vigas nas paredes externas, um campo de treliça acima do dano forneceu vigas horizontais com vários andares de profundidade para cobrir o corte. Ao mesmo tempo, as paredes externas danificadas foram parcialmente penduradas na estrutura acima.

A resistência dos elementos estruturais estreitamente espaçados permitiu que as paredes caíssem um pouco sem falhar totalmente. Nesse estado, as torres em pé permitiram a fuga de muitos ocupantes abaixo dos andares de colisão e em prédios vizinhos.

A falha finalmente ocorreu quando os incêndios intensos dentro das torres enfraqueceram os sistemas de piso que protegiam as paredes externas. Quando as paredes se dobraram, as partes superiores dos edifícios caíram como blocos e foram empurradas para os andares inferiores à medida que caíam, como uma ponta de machado cravada na madeira para parti-la.

Também sabemos que o Pentágono foi atacado com um avião em 11 de setembro. Provavelmente menos conhecido é que parte da área danificada permaneceu por cerca de 20 minutos antes de também entrar em colapso. O Pentágono, com cinco andares de altura, foi destruído por um avião que se chocou contra o primeiro andar, demolindo inúmeras colunas ali e várias no andar de cima. Ainda assim, resistiu o suficiente para que todos nos três níveis superiores evacuassem antes do colapso.

O Pentágono tem uma estrutura de concreto armado com um sistema de piso “bidirecional”: vigas correm nos dois sentidos entre as colunas, fornecendo um mecanismo secundário para suportar o peso. Quando as colunas foram destruídas, o prédio acima cedeu. Mas as vigas cruzadas do piso agiram como uma rede para sustentar a área acima do dano.

Essencialmente, todas as colunas de concreto, incluindo as do Pentágono, envolvem barras de aço verticais embutidas que trabalham junto com o concreto para suportar o peso. Os pilares de concreto também têm barras de aço horizontais que envolvem e protegem as barras verticais e confinam o concreto no meio. Como era comum na década de 1940, quando o Pentágono foi construído, as barras de aço horizontais eram dobradas em espirais, envolvendo as barras verticais em toda a altura de cada coluna.

O padrão de reforço nas colunas criava ductilidade – o que significa que elas podiam distorcer nitidamente sem ruptura fatal. Firmemente confinado dentro da gaiola de barras de aço verticais e horizontais, o concreto no meio de muitas das colunas danificadas permaneceu no lugar, embora as colunas fossem dobradas na forma de uma banana, curvando-se no meio da altura para até três vezes o diâmetro da gaiola. Mesmo com tanta deformação, muitas colunas fortemente danificadas ainda suportavam o peso, limitando assim a área do piso que precisava se comportar como uma rede.

A parte do Pentágono que finalmente entrou em colapso foi muito menor do que o total minado pelo avião. Como as torres, também caiu porque o fogo intenso enfraqueceu ainda mais vigas e colunas críticas.

A profissão de engenheiro estrutural estuda eventos como os de 11 de setembro para melhorar a prática. Muitos desses estudos, conduzidos por organizações como o Structural Engineering Institute da American Society of Civil Engineers ( SEI / ASCE), o National Institute of Standards and Technology e a Federal Emergency Management Agency, têm características documentadas, como redundância e ductilidade , que aumentam a resistência a ataques extremos. Com base nessas informações, estão os pesquisadores e engenheiros estruturais em atividade, que se esforçam para tornar nossas estruturas seguras e econômicas para o uso diário e também resistentes quando danificadas.

De particular preocupação é o potencial de “colapso desproporcional”, que é um colapso generalizado após danos muito localizados. Prevemos que danos graves podem levar ao colapso, como aconteceu em 11 de setembro, mas nos esforçamos para evitar o colapso em cascata de eventos tão pequenos como um incêndio comum, uma explosão ou um impacto de um veículo errante na estrada.

Após o bombardeio de 1995 do Alfred P. Murrah Federal Building em Oklahoma City, a SEI / ASCE publicou uma nova orientação para projetos de resistência a explosões. Os incêndios que acabaram por derrubar o World Trade Center e o Pentágono levaram a SEI / ASCE a defender uma melhor análise dos efeitos dos incêndios em edifícios. Em breve, a SEI / ASCE divulgará recomendações sobre como mitigar o potencial de colapso desproporcional. Para reunir e disseminar informações adicionais, a SEI / ASCE criou o Collaborative Reporting for Safer Structures US , uma câmara de compensação para engenheiros compartilharem as lições aprendidas com as falhas.

Como todos, os engenheiros estruturais lamentam as perdas humanas, físicas e sociais do 11 de setembro e tememos a possibilidade de falhas estruturais catastróficas no futuro. Mas os engenheiros e outros parceiros da indústria da construção não são complacentes quando há falhas. Nós estudamos, aprendemos e melhoramos.