Lo que los ingenieros estructurales aprendieron del 11 de septiembre

Los miembros de la profesión estudian eventos tan trágicos para tratar de asegurarse de que algo similar no vuelva a suceder.

Los acontecimientos del 11 de septiembre sacudieron al mundo. Antes de ese día, no podíamos imaginar que alguien sería lo suficientemente audaz y cruel para promulgar tal violencia. No podíamos imaginar que dos icónicos rascacielos de 110 pisos se derrumbarían en medio de una ciudad de EE. UU., perforando y aplastando otros edificios cientos de pies en todas direcciones. Nos preguntamos: "¿Cómo es posible que suceda esto? ¿Cómo podrían colapsar?" Son preguntas naturales que expresan el alcance de la pérdida que sentimos ese día.

Los ingenieros estructurales también hicieron estas preguntas, pero también hicieron la pregunta contrastante: ¿Cómo se las arreglaron las torres del World Trade Center para resistir el ataque, incluso por un corto tiempo? El daño fue extenso. Los aviones comerciales que volaban casi a la máxima velocidad se estrellaron contra los edificios, cortando amplias franjas a través de las paredes exteriores e infligiendo grandes daños en el interior. ¿No debería haber sido suficiente para causar un colapso inmediato?

Las torres gemelas no fueron diseñadas para resistir el tipo de daño que experimentaron. A lo sumo, cuando se diseñaron, existía la preocupación de que un avión errante pudiera golpear accidentalmente una de las torres. Los ingenieros podrían haber asumido que los incendios en cualquiera de los edificios probablemente se limitarían a un piso y que los sistemas de rociadores funcionarían correctamente.

Lo que vimos fue muy diferente. Muchos elementos estructurales clave fueron destruidos instantáneamente y grandes incendios se encendieron simultáneamente en varios pisos con rociadores arruinados. Los edificios se mantuvieron, aunque brevemente, principalmente porque sus estructuras tenían mecanismos redundantes para soportar el peso.

Has visto fotografías de las torres antes del 11 de septiembre. Las paredes exteriores tenían ventanas estrechas flanqueadas por columnas de acero inusualmente juntas. También había vigas profundas en los niveles del piso, formando un entramado apretado de acero que cubría las superficies de los edificios.

Gran parte de la soldadura se realizó fuera del sitio. Los paneles de celosía de tres pisos de alto por tres columnas de ancho se fabricaron en una fábrica y se transportaron al centro de Manhattan. Para aumentar la resistencia, estos paneles se escalonaron verticalmente, como piezas de un rompecabezas, de modo que todas sus partes superiores e inferiores no se alinearan al mismo nivel del piso.

Los cuatro lados de cada edificio formaban un tubo con ranuras para ventanas. Este tubo fue diseñado para llevar el peso del edificio y su contenido directamente hacia abajo hasta los cimientos. Los muros actuaban como vigas verticales, anchas y altas como los edificios, que se doblaban hacia un lado para absorber las cargas del viento.

Cuando el avión cortó filas de columnas y vigas en las paredes exteriores, un campo de celosía sobre el daño proporcionó vigas horizontales de varios pisos de profundidad para atravesar la herida. Al mismo tiempo, las paredes exteriores dañadas se colgaron parcialmente de la estructura superior.

La fuerza de los elementos estructurales estrechamente espaciados permitió que las paredes se hundieran un poco sin fallar por completo. En ese estado, las torres en pie permitieron escapar a muchos ocupantes debajo de los pisos de colisión y en los edificios circundantes.

La falla finalmente ocurrió cuando los intensos incendios dentro de las torres debilitaron los sistemas de piso que apuntalaban las paredes exteriores. Cuando las paredes se doblaron, las partes superiores de los edificios cayeron como bloques y atravesaron los pisos inferiores a medida que caían, como una cabeza de hacha clavada en la madera para partirla.

También sabemos que el Pentágono fue atacado con un avión el 11 de septiembre. Probablemente menos conocido es que parte del área dañada estuvo en pie durante unos 20 minutos antes de que también se derrumbara. El Pentágono, de cinco pisos de altura, fue socavado por un avión que se estrelló contra su primer piso, demoliendo numerosas columnas allí y varias en el piso de arriba. Sin embargo, aguantó lo suficiente para que todos en los tres niveles superiores evacuaran antes del colapso.

El Pentágono tiene un marco de hormigón reforzado con acero con un sistema de piso de "dos direcciones": las vigas corren en ambos sentidos entre las columnas, proporcionando un mecanismo secundario para soportar el peso. Cuando se destruyeron las columnas, el edificio de arriba se hundió. Perolas vigas del piso entrecruzadasactuó como una red para sostener el área por encima del daño.

Esencialmente, todas las columnas de hormigón, incluidas las del Pentágono, encierran barras de acero verticales incrustadas que trabajan junto con el hormigón para soportar el peso. Las columnas de concreto también tienen barras de acero horizontales que envuelven y apuntalan las barras verticales y confinan el concreto en el medio. Como era común en la década de 1940, cuando se construyó el Pentágono, las barras de acero horizontales se doblaron en espirales, envolviendo una y otra vez las barras verticales en toda la altura de cada columna.

El patrón de refuerzo en las columnas creó ductilidad, lo que significa que podían distorsionarse bruscamente sin una ruptura fatal. Estrechamente confinado dentro de la jaula de barras de acero verticales y horizontales, el concreto en el medio de muchas de las columnas dañadas se mantuvo en su lugar a pesar de que las columnas estaban dobladas en forma de plátano, curvándose a media altura hasta tres veces el diámetro de la jaula. Incluso con tanta deformación, muchas columnas muy dañadas aún soportaban el peso, lo que limitaba el área del piso que debía comportarse como una red.

La porción del Pentágono que finalmente se derrumbó fue mucho menor que el total socavado por el avión. Al igual que las torres, también cayó porque el intenso fuego debilitó aún más las vigas y columnas críticas.

La profesión de ingeniería estructural estudia eventos como los del 11 de septiembre para mejorar la práctica. Muchos de estos estudios, realizados por organizaciones como el Instituto de Ingeniería Estructural de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles( SEI/ASCE), el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología y la Agencia Federal para el Manejo de Emergencias, tienen características documentadas, como redundancia y ductilidad, que mejoran la resistencia a ataques extremos. Sobre la base de esa información, los investigadores y los ingenieros estructurales en ejercicio se esfuerzan por hacer que nuestras estructuras sean seguras y económicas para el uso diario y que también sobrevivan cuando se dañan.

De particular preocupación es el potencial de "colapso desproporcionado", que es un colapso generalizado después de un daño muy localizado. Anticipamos que los daños graves podrían conducir al colapso, como sucedió el 11 de septiembre, pero nos esforzamos por evitar el colapso en cascada por eventos tan pequeños como un incendio común, una explosión o el impacto de un vehículo errante en la carretera.

Después del bombardeo de 1995 del edificio federal Alfred P. Murrah en la ciudad de Oklahoma, SEI/ASCE publicó una nueva guía para diseños resistentes a explosiones. Los incendios que finalmente derribaron el World Trade Center y el Pentágono llevaron a SEI/ASCE a abogar por un mejor análisis de los efectos de los incendios en los edificios. Pronto SEI/ASCE publicará consejos sobre cómo mitigar el potencial de un colapso desproporcionado. Para recopilar y difundir información adicional, SEI/ASCE ha establecido Informes de colaboración para estructuras más seguras de EE. UU., una cámara de compensación para que los ingenieros compartan las lecciones aprendidas de las fallas.

Como todos, los ingenieros estructurales lamentan las pérdidas humanas, físicas y sociales del 11 de septiembre, y tememos la posibilidad de fallas estructurales catastróficas en el futuro. Pero los ingenieros y otros socios de la industria de la construcción no son complacientes cuando hay fallas. Estudiamos, aprendemos y mejoramos.

Este es un artículo de opinión y análisis, y las opiniones expresadas por el autor o los autores no son necesariamente las de Scientific American.

Donald Dusenberryes ingeniero consultor y ex presidente del Instituto de Ingeniería Estructural de la Sociedad Estadounidense de Ingenieros Civiles.

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