مقایسه پایداری برج گرنفل و برج‌های مرکز تجارت جهانی حین سوختن

پایداری برج گرنفل بعد از 24 ساعت سوختن،

و فرو ریزش برجهای مرکز تجارت جهانی(WTC)

پس از چند ساعت آتش سوزی

اختلاف قابل توجه‌ی بین هدایت حرارتی فولاد در مقایسه با بتن وجود دارد. بین زمانی که آتش به علت خطر موضعی آن گسترش می‌یابد و زمانی که ساختمان مقاومت خود را به علت ضربه‌ی حاصل از یک هواپیما که با سرعت 400 تا 550 مایل بر ساعت حرکت می‌کند، از دست می‌دهد، تفاوت وجود دارد. بگذارید هردو موقعیت را به صورت جداگانه بررسی نماییم:

1. هدایت حرارتی فولاد در برابر بتن

برج گرنفل در دهه ی 1970 ساخته شده و سیستم سازه‌ی اصلی آن (شبکه‌های از المان‌های سازه ای مانند دال‌ها، تیرها و ستون‌ها) از بتن ساخته شده است. این در حالی است که مرکز تجارت جهانی دارای دال‌های کامپوزیت (بتنی که بر روی عرشه‌ی فولادی ریخته شده است)، تیرهای فولادی و ستون‌های فولادی به همراه پوشش ضد حریق بود. مراکز تجارت جهانی توسط یکی از ارزنده‌ترین مهندسان سازه‌ی تاریخ به نام آقای لسلی رابرتسون در سال‌های 1955 تا 1960 ساخته شدند. این برج‌ها نسبت به برج گرنفل تقریباً ی 6 برابر بلندتر بودند. در رابطه با هدایت حرارتی، بتن دارای هدایت حرارتی 1 تا 1.8 می‌باشد که بسته به چگالی آن متغیر است. فرض کنیم که این مقدار برابر با 1.8 است. در حالی که هدایت حرارتی فولاد برابر با 43 می‌باشد. هدایت حرارتی به چه معنی می‌باشد؟ در اصطالح عامیانه، به نظر من هدایت حرارتی حساسیت یک ماده زمانی که تحت حرارت قرار می‌گیرد، می‌باشد. این بدان معنی است که انسان‌ها (نه به صورت معنای رایج بلکه فقط به منظور توضیح اینکه هدایت حرارتی چیست) نسبت به حرارت هدایت‌پذیرتر هستند (ما زمانی که نزدیک به آتش هستیم فریاد می‌زنیم، جیغ می‌کشیم و فرار می‌کنیم و نمی‌توانیم  آتش را تحمل کنیم)، در مورد فولاد باید گفت که به واکنش بیشتری نسبت به حرارت دارد در حالی که بتن اینگونه نیست و نسبت به آنچه در اطرافش اتفاق می‌افتد کوچکترین عکسل العملی نشان نمی‌دهد مگر اینکه به صورت دائمی در معرض آن قرار داشته باشد. لذا زمانی که یک ساختمان از بتن ساخته شده باشد و در معرض آتش قرار بگیرد، بتن اجازه‌ی گسترش سریع را به آتش نمی‌دهد و آن را به صورت محصور نگه می‌دارد مگر اینکه آتش راه دیگری را برای گسترش مانند نمای ساختمان بیابد؛ اما فولاد در گروه متفاوتی قرار می‌گیرد. فولاد سریعاً حرارت را منتقل می‌کند. تا به حال در حال آشپزی با گرفتن کفگیری که قسمتی از آن به داخل بشقاب فرو برده شده است، دچار سوختگی شده‌اید؟ بله فولاد انتقال گرما را به این سرعت انجام می‌دهد.

به علت همین طبیعت انفعالی بتن و طبیعت فعال فولاد زمانی که در معرض آتش قرار می‌گیرند، دمای فولاد سریع افزایش می‌یابد و شروع به از دست دادن مقاومت خود می‌کند. به طوری که در دمای حدود 550 درجه‌ی سلسیوس، فولاد 40 درصد از مقاومت کلی خود را از دست می‌دهد؛ و بتن؟ بتن درواقع نسبت به حرارت بسیار غیرفعال عمل می‌کند و زمان بسیار زیادی طول می‌کشد تا دمای آن افزایش یابد. لذا اینگونه آتش‌ها تأثیر زیادی بر مقاومت بتن نمی‌گذارد. بنابراین نکات فوق بیانگر این است که فولاد وقتی که در معرض آتش قرار می‌گیرد، ضعیف‌تر می‌شود؛ اما توجه کنید که ساختمان‌های فولادی دارای پوشش ضد حریق هستند که درجه بندی 1 ساعته، 2 ساعته و غیره دارد. حال در شرایط آتش در یک ساختمان فولادی، آیا آن ساختمان فرو خواهد ریخت؟ شاید خیر. در صورتی که یکپارچگی سازه‌ای ساختمان فولادی تحت تأثیر قرار نگرفته باشد، تحت آتش سوزی شدید دچار تغییر شکل می‌شود اما فرو نمی‌ریزد.

به عنوان مثال به ساختمان بانک بین ایالتی توجه کنید که پس از 3 تا 4 ساعت آتش سوزی، فرو نریخت:

2. تفاوت نوع حریق در WTC و برج گرنفل

دومین موضوعی که توجه هرکسی را جلب می‌کند نوع خطر سازه بعد از حریق غیرعمدی در برج گرنفل است که با برخورد عمدی هواپیمای بوئینگ در WTC مقایسه می‌شود. در مورد برج گرنفل، در ساختمان قبل از حریق هیچ آسیب سازه‌ای مشاهده نشد. حتی زمانی که حریق گسترش یافت، یکپارچگی سازه‌ی ساختمان حفظ شده بود. هیچ ستون، تیر یا دالی تخریب نشده و یا حتی آسیب ندیده بودند. با ترکیب این مشاهدات و با در نظر داشتن هدایت حرارتی بتن، هیچ رویداد سازه‌ای برای ساختمان نباید اتفاق می‌افتاد. اما در مورد برج شماره‌ی 1 و 2 مرکز تجارت جهانی، هواپیماها یکپارچگی ساختمان را تحت تأثیر قرار دادند. ضربه‌ی آن‌ها ستون‌های پیرامونی و درونی چند طبقه از ساختمان را اصطالحاً قطعه قطعه کرد. دال‌ها به علت برخورد دچار آسیب شدند و ضد حریق بودن نیز در سطوح برخورد تحت تأثیر قرار گرفت. مهندسان سازه از اینکه چگونه این برج‌ها توانسته بودند برای 55 دقیقه و 110 دقیقه پابرجا بمانند، شگفت زده شده بودند. هیچ کس این انتظار را نداشت. این توقع فقط به دلیل سطح زیاد خسارت سازه‌ای بود که این هواپیماها برای ساختمان به وجود آورده بودند.

آن حفره ی بزرگ مورب 3 طبقه را بر روی سطح ساختمان می‌بینید؟ این قسمت به عنوان نمای خارجی ساختمان عمل نمی‌کرد اما تمامی ستون‌های پیرامونی خارجی با یکدیگر ترکیب شده بودند و به عنوان یک سیستم مهم سازه‌ای محسوب میشدند که نیمی از وزن ساختمان را، تحمل می‌کردند. این بدان معناست که این ستون‌ها دیگر بار را به ستون زیرین منتقل نمیکنند. لذا ستون‌های اطراف این ستون‌های آسیب دیده بار بیشتری را تحمل کردند؛ اما بلافاصله آن حریق شوم فرارسید و مقاومت ستون‌ها را کاهش داد. این اتفاق چیزی شبیه این است که شما بر روی یک پا ایستاده باشید و ناگهان ببینید فردی میخواهد آن پا را ببرد. به ناچار خواهید افتاد.

مشابه این شرایط در برج‌های T1 و T2 مرکز تجارت جهانی اتفاق افتاد. ستون‌ها تقاضای بار بیشتری را به همراه کاهش مقاومت تحمل می‌کردند و لذا این باعث آغاز فروریزش و وارد شدن آسیب به سیستم سازه‌ای شد.

یافتن اطلاعاتی که دقیقاً نشان دهد بتن چگونه دچار شکستگی می‌شود، دشوار است چراکه اکثر اطلاعات درباره‌ی ایمنی حریق بتن توسط صنعت بتن منتشر می‌شود. با این حال کاملا روشن است که سرعت حریق ستون‌های بتنی بر اساس جلوگیری از رسیدن حرارت به بتن مسلح از طریق پوشاندن آن با بتن غیرمسلح که به عنوان سپر حرارتی عمل کند، به دست می‌آید. ستون‌های بتنی زمانی که بخش هسته‌ی مسلح ستون حرارت ببیند، ممکن است دچار خردشدگی شوند چراکه میلگرد نرخ انبساط حرارتی متفاوتی نسبت به بتن اطراف خودش دارد. مشاهده شد که برج گرنفل سپر حرارتی ضخیمتری نسبت به برج رونان پوینت بر روی بتن مسلح خود داشت. ساختمان‌های قاب فولادی نیز باید دارای عایق حرارتی بر روی قاب خود باشند. این عایق از انبساط فولاد بیش از مقادیر تلورانس جلوگیری می‌کند. کف‌های بتنی در ساختمان‌های قاب فولادی می‌تواند سرعت حریق را کاهش داده و نیز انبساط اعضای قاب فولادی افقی را براثر اصطکاک کاهش دهد. عدم یکپارچگی کف به معنی عدم یکپارچگی قاب ساختمانی نیست. آیا این مسئله در برج‌های WTC اتفاق افتاد؟ نشان داده شده است که انبساط فولاد براثر حریق عاملی برای فروریزش ساختمان 7 WTC نبوده است. درباره‌ی WTC شماره 1 و 2 چطور؟ مشاهده شده است که عایق بندی حریق این برج‌ها دارای نقص بوده است. لاقل یک بازرسی مشکلاتی را در پوشش اصلی ضد حریق نشان داده است. این مسئله چگونه یکی از دلایل ریزش محسوب می‌شود؟ پاسخ مشخص نیست، زیرا شواهد از بین رفته و تخریب شده اند. یک بار پوشش‌های ضد آتش بهبود داده شده‌اند. این کار تا چه حد مناسب بوده؟ این پاسخ نیز مشخص نیست. این نظریه وجود دارد که شاید حرکات پیوسته‌ی آسانسورها باعث جداشدگی سیستم ضد حریق از فولاد شده است اما درباره‌ی صحیح بودن آن اطلاعی نداریم. با این حلا حتی اگر پوشش‌های ضد حریق در برج‌های WTC دچار نقص شده باشند به چه معنی است؟ این نیز مشخص نیست.

i Jinal درباره‌ی چگونگی عکس العمل فولاد در حریق و اینکه او کدام نوع عکس العمل را منطقی می‌داند، صحبت می‌کند. او حقایق نامرتبط‌ی را درباره‌ی هدایت گرمایی می‌گوید که در واقع روشی از پخش حرارت است نه افزایش آن. عدم اتصالی بین %1 از فولاد که بایستی در حریق گسیخته شده و %99 آن که ناگهان تمام مقاومت و پایداری را از دست می‌دهد، وجود دارد. یک نظریه این است که فولاد در ناحیه‌ی حریق دچار گسیختگی شده باشد و نظریه‌ی دیگر این است که تمامی فولاد ساختمان برای ایجاد گسیختگی کلی به اندازه‌ی کافی ضعیف شده است. هیچ یک از آن‌هایی که آقای Doshi درباره‌ی حریق در ساختمان‌های قاب فولادی می‌گوید در شرایط واقعی معتبر نمی‌باشند. هیچکدام از آن‌ها- و در واقعیت کوهی از اطلاعات درباره‌ی این نوع سناریوها وجود دارند. شواهد موجود در حالت‌های واقعی به طور سرسختانه‌ای به نفع ساختمان‌های فولادی می‌باشد که نشان می‌دهد در آتش گسیخته نمی‌شوند. آتش سوزی‌های وسیع به صورت مداوم در جایجای جهان در آسمان خراش‌ها اتفاق می‌افتد و هیچگاه فولاد دچار گسیختگی نمی‌شود. بیایید به چند مورد اخیر حریق نگاه کنیم:

Paul Harrison

دلیل اصلی این است که برج گرنفل ساخت کاملا متفاوتی دارد. برج گرنفل برج بتنی است بدین معنی که سازه‌ی نگهبان آن نسبت به آسیب حاصل از آتش در مقایسه با فولاد حساسیت کمتری دارد- این موضوع با این واقعیت که پول بسیار بیشتری برای ضد حریق سازی سازه‌های نگهبان فولادی هزینه شده است، بیشتر نمود پیدا می‌کند در حالی که این کار برای تکیه گاه‌های بتنی انجام نشده است. تمامی برج‌هایی که فروریزش مربوط به حریق را در 11 سپتامبر متحمل شدند دارای قاب فولادی بودند) بتن در ساخت آن‌ها استفاده شده است اما برای قاب‌های ساختمان از بتن سازه‌ای استفاده نشده است. (عالوه براین، هدف کاربری ساختمان‌ها نیز می‌تواند تأثیر داشته باشد- که برج گرنفل یک سازه‌ی بتنی مسکونی بود بدین معنی که ستون‌های نگهدارنده می‌توانستند در سرتاسر فضای هر طبقه قرار داده شوند که هر طبقه به تعدادی از آپارتمان‌ها و اتاق‌های مجزا تقسیم می‌شود- در مقابل برج‌های WTC طرح کف‌های باز بسیار بزرگی داشتند که برای کاربری اداری تدارک دیده شده بودند که در آن‌ها نیاز به خرپاهای بزرگی برای کف بین ستون‌های داخلی و خارجی وجود داشت. این خرپاهای کف نقش مهمی در فروریزش سه برج WTC(7،2،1 WTC و نیز گسیختگی 5 WTC )داشتند که با وجود آن‌ها تغییر شکل و ضعیف شدن ستون‌های خارجی 2،1 WTC براثر شکم دادن افزایش یافت. WTC شماره 1 و 2 به علت آتش دچار فروریزش نشدند، آن‌ها به علت آتش و آسیب ناشی از ضربه فروریختند، کلمه‌ی “و” در اینجا بسیار مهم است. آسیب ناشی از ضربه بار اضافی را به ستون‌های پیرامونی وارد کرد که ساختمان را در معرض تهدید بیشتر فروریزش قرار داد. نه آتش و نه خسارت ناشی از ضربه به خودی خود باعث فروریزش نشدند اما در مجموع این اتفاق فاجعه بار بود. در رابطه با فروریزش کلی WTC7 و فروریزش جزئی WTC5 ،فروریزش بیشتر به علت سیستم‌های حریق فعالی بود که عمل نکردندمنبع آب به علت فروریزش 1 WTC و WTC2 تخریب شده بود که از فعالیت مؤثر سیستم اسپرینکلر جلوگیری می‌کرد و نکته‌ی مهم این بود که آتش به صورت کنترل نشده جلو می‌رفت.