世贸中心|911恐袭过去19年，世贸中心110层摩天楼垮塌的力学分析
距911恐袭已经19年了 ， 当年世贸中心的垮塌犹如最近山西襄汾某酒店的坍塌 ， 都是上层向下层扑下来 。 只是酒店的坍塌只有一层 ， 而世贸中心的垮塌是110层 ， 当时的情况是这样-
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但究竟是怎么造成这样坍塌 ， 一直有人在探究 ， 这些人既有好奇的个人 ， 也有特别专业的专家委员会 。
之所以反复研究这个问题 ， 因为像上图那样一层一层煎饼摞下来 ， 整个楼的人逃生都很困难 。 反之若是另外一种模式：只是飞机撞击上方楼层被撞歪了 ， 不把下方楼层压塌 ， 则下方人员逃生就很容易了 。
【世贸中心|911恐袭过去19年，世贸中心110层摩天楼垮塌的力学分析】这就是为什么很多工程师和科学家试图破解上述的“摞煎饼”的魔咒 。
下面梳理一下大体的结论 。
一、飞机撞击对大楼载荷的影响
当恐怖分子开着劫持来商用飞机撞向双子塔时 ， 这是3万8千升航空燃油大火球 。 但是波音767-200ER飞机的撞击和火焰燃烧并没有使塔身立即坍塌 。 像大多数建筑物一样 ， 双塔具有安全冗余设计 ， 也就是当一个构件出现问题后 ， 载荷会配置到其他构件上 。
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双子塔在各自核心区有244根柱子 。 核心区装有电梯 ， 楼梯间 ， 机械系统和设备 。 在这种管状设计结构中 ， 当某些承重柱损坏时 ， 其他柱子仍可以支撑建筑物 。
联邦紧急事务管理局（FEMA）的报告审查员写道：“在撞击后 ， 原先由外部柱承受的漏报压缩载荷已成功转移到其他载荷路径 。 ”；“由失效柱支撑的大部分载荷 ， 专家相信它们已通过外墙框架的Vierendeel机制转移到相邻柱子上了 。 ”(比利时土木工程师Arthur Vierendeel（1852-1940）发明了的垂直矩形金属框架 ， 这种框架转移剪切力的方式不同于传统的对角三角形方法 。 )
二、飞机撞击对建筑附属结构的影响
1）破坏了保护钢的绝热层；2）破坏可建筑物的喷水系统；3）切开并割断很多内部柱子 ， 并损坏其他柱子；4）向没有发生立即破坏的立柱转移载荷 ， 荷载发生重新分配；5）这一转移恶化了某些柱子的应力状态 。
三、燃烧辐射的热影响
即使喷水喷头一直正常工作 ， 他们也无法保持足够的压力来阻止火灾 。 在航空燃料的喷射加剧下 ， 温度急剧上升 。 特别揪心的是 ， 每架飞机所载燃油接近额定容量的一半 。
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航空燃料在800至1,500度下燃烧 。 这个温度不足以熔化结构钢 。 但是 ， 工程师说要使世贸中心的塔坍塌 ， 其钢架根本不需要熔化 ， 因为高温削弱了钢架强度 ， 同样也会导致坍塌 。 钢在1200度时将散失大约一半的强度 。 同时 ， 钢也变形和屈曲失稳 。
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两座建筑物的视频均显示 ， 由于许多楼层的桁架在高温下失效 ， 导致周边柱向内垮塌 。
四、坠落的楼板
很多火灾始于一个局部区 ， 然后蔓延 。 由于飞机是以一定倾斜的角度撞击建筑物的 ， 所以立即有几层楼都着火了 。 当弱化的楼板开始弯曲然后坍塌时 ， 它们变得像摞煎饼 。 这意味着 ， 随着重量和动量的增加 ， 较高的楼层坠落较低的楼层 ， 像多米诺骨牌那样 ， 一样一层压一层,直到底层 。
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FEMA官方报告的研究人员写道：“一旦开始坠落 ， 撞击层上方建筑物的整个部分会整体落下 ， 会推动下方的空气垫 。 ”“当此空气垫冲过撞击区域时 ， 大火因新的氧气注入而向外推 ， 造成二次爆炸的视觉 。 ”
由于坠落地板的冲击载荷很大 ， 外墙发生了屈曲失稳 。 研究人员估计 ， “重力坍塌造成了空气的喷射 ， 至少在接近地面一层 ， 喷射速度可达的情况下达到近800公理每小时(220 m/s)” 。 坍塌时听到巨大轰鸣声 ， 就是因为这个速度接近音速而引起的 。
五、原建筑足够结实吗？
双子塔建于1966年至1973年之间 。 那时建造的所有建筑物都无法承受2001年恐怖袭击的冲击 。 但是 ， 我们可以从摩天大楼的坍塌中吸取教训 ， 并采取措施来建造更安全的建筑物并尽量减少未来灾难中的人员伤亡 。
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当建造双子塔时 ， 建造者被授权可突破纽约的建筑法规 ， 允许建筑商使用轻质材料 ， 因此摩天大楼可以达到很高的高度 。 根据《工程伦理学：概念和案例》的作者查尔斯·哈里斯（Charles Harris）的说法：如果双子塔使用旧建筑规范要求的防火类型 ， 那么9/11死亡人数不会那么多 。
但是 ， 也有的专家说双子塔的建筑设计实际上挽救了生命 。 这些摩天大楼的设计具有冗余性：当时已预期一架小型飞机可能会意外穿透摩天大楼的外墙 ， 并且建筑物不会因此类灾难而倒塌 。
不过当时所设想的飞机是波音707 ， 而911事件中的飞机是波音767s ， 后者比前者大一些 。
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大多数摩天大楼（例如帝国大厦）都由坚固的钢梁网格支撑 ， 但这限制了每个楼层的开放地面空间的面积 。 世贸中心的建筑师和工程师采用了革命性的建筑方法 ， 以最大限度地提高建筑物的建筑面积 ， 并建造出比以往任何时候都更高的建筑 。
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其中的关键是设计师没有让垂直支撑梁在地板上均匀分布 ， 而是将所有支撑梁都移到了建筑物的外墙和中央核心区 。 这些柱子支撑了建筑物的所有重量 ， 但如果没有地板的横向支撑 ， 这些柱子就会弯曲 。 设计师是把地板铺在横向桁架上 ， 这个桁架将外部柱子和核心柱接驳起来 。 接驳端用两个螺栓连接 ， 防止柱子向内或向外弯曲 。
上述结构实现110层中的每层都有将近一英亩开放空间 。
结构的强度也可以从911撞击结果得到印证 。 两座塔都承受住了大型飞机的直接撞击 。 北塔在美国东部时间上午8:46遭到撞击(94至98楼) ， 直到上午10:29才倒塌 ， 这留下一小时四十三分钟的疏散时间 。
即使在美国东部时间上午9:03被击中后 ， 南塔楼也能顽强站立56分钟 。 第二架飞机击中南塔的位置较低(位于78和84层之间) 。 结构上 ， 它比北塔更早地遭到了破坏 。
总之 ， 这些塔不可能设计得更好或更坚固 。 没有人能预料到装有数万升航空燃料的飞机故意来撞 。
六、遗产与教训
尽管建筑师努力设计安全的建筑 ， 但开发商并不总是愿意为多余的建筑付费 ， 它们不太可能考虑万年一遇事件的后果 。9/11的教训是：
美国的新建筑现在必须遵守更加严格的建筑规范；
高层办公建筑要求具有更耐久的防火性能；
更多的紧急出口和各种各样的防火功能 。
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