Sự sụp đổ của tòa tháp đôi

Sáng 11-9-2001, hai chiếc máy bay với vận tốc 700 km/h và chứa gần 37.000 lít nhiên liệu đã đâm vào hai tòa nhà của Trung tâm thương mại thế giới ở New York. Không đầy hai giờ sau, hai tòa nhà biến mất trong đám tro bụi khổng lồ.

Vụ khủng bố làm chết gần 2.800 người, và hình ảnh của vụ sụp đổ vẫn còn lưu dấu ấn mãi. Khi đống tro tàn của hai tòa nhà vẫn còn ngổn ngang, các chuyên gia của Hội kỹ sư xây dựng dân dụng Hoa Kỳ (ASCE) đã được phái gấp đến hiện trường. Họ kết luận, đám cháy của vụ đâm máy bay đã làm mềm cấu trúc kim loại của WTC, gây nên sự sụp đổ tuần tự từ tấm sàn này đến tấm sàn khác.

Muốn có một nghiên cứu nghiêm túc ở mức cao nhất, năm 2002, Quốc hội Mỹ đã yêu cầu Viện Tiêu chuẩn và Kỹ thuật Hoa Kỳ (NIST) mở một cuộc điều tra khoa học. Trong 3 năm, gần 200 chuyên gia của NIST đã được huy động, thêm cả sự cộng tác của khoảng 100 nhà công nghiệp và trường đại học. Họ đã thu thập chứng cứ từ lời kể của 1000 nhân chứng, khoảng 10.000 trang tài liệu và nhiều cuộc thí nghiệm. Kết quả nghiên cứu gần đây của NIST xác định được cơ chế sụp đổ tuần tự của các tấm sàn và qua đó giải thích cách sụp đổ khác nhau của mỗi tòa nhà.

Cấu trúc tòa tháp

Tòa tháp Nam, sụp đổ sau 56 phút xảy ra vụ va chạm (tòa tháp Bắc sụp đổ sau 102 phút)

Cách nhiệt đúng tiêu chuẩn

NIST đã xác nhận chất lượng của thép là rất tốt và tải trọng mà các tháp chịu đựng nằm trong khoảng tiêu chuẩn cho phép. Vì hỏa hoạn bùng phát sau vụ đâm máy bay nên NIST quan tâm đến sự phù hợp của việc cách nhiệt - vốn đóng vai trò cần thiết trong việc làm giảm tác nhân phá hủy của nhiệt lên cấu trúc. Những cột trung tâm được phủ thạch cao, trong khi những cột ở vòng ngoài và sườn của tấm sàn được che bằng một lớp tráng cách nhiệt làm bằng xi-măng và sợi thủy tinh. Bề dày của lớp này đủ để làm chậm sự nóng lên theo tiêu chuẩn hiện hành. Qua thí nghiệm, NIST nhận thấy những tấm sàn có khả năng chịu đựng một trận hỏa hoạn trong vòng 2 giờ. Tuy nhiên khi thiết kế WTC, người ta không tính đến những rủi ro như các vụ va chạm của những chiếc máy bay cũng như những trận hỏa hoạn như đã từng xảy ra. Một trường hợp tương tự như WTC đã diễn ra năm 1945, khi một chiếc B25 đã đâm vào tòa nhà Empire State do mất phương hướng trong sương mù dày đặc. Cũng đã có một tài liệu nghiên cứu chuyện gì sẽ xảy ra nếu một chiếc Boeing 747 đâm vào WTC, theo đó vụ va chạm sẽ chỉ gây hư hại cục bộ chứ không làm sụp đổ hoàn toàn tòa nhà.

Tám tầng ảo

Người ta đã dùng đến 2 triệu dữ liệu và 2 tuần tính toán với những máy tính có tốc độ tính toán cỡ 1 triệu phép tính mỗi giây để mô phỏng diễn biến của vụ sụp đổ. Qua mô hình này, người ta có thể hiểu làm thế nào mà các cánh máy bay bằng nhôm có thể cắt ngang dễ dàng các cột thép. Mô phỏng đã chỉ ra rằng những cánh máy bay không thể xuyên qua những cột này nếu chúng không chứa đầy nhiên liệu. Số lượng các cột ở vòng ngoài bị phá hủy là khoảng 20 cột cho mỗi tháp. Ngoài ra, những mô phỏng đã cung cấp những thông tin về thiệt hại ở phần phía trong của tháp: do ảnh hưởng của vụ va chạm, một phần của các tấm sàn bị phá hủy, nhiều cột ở trung tâm bị hư hỏng nặng nề, các cột bị kéo dài ra và bị “xé rách” do hấp thụ một phần động năng của các chiếc máy bay.

Ngoài ra có những yếu tố khác gây nên sự sụp đổ của WTC. Trước hết, vụ va chạm làm phân tán nhiên liệu và gây nên vụ hỏa hoạn trên những vùng rộng. Vụ va chạm cũng làm vỡ nhiều cửa kính ở mặt ngoài, do đó tạo nên một luồng khí vào tòa nhà làm ngọn lửa càng bùng to. Đặc biệt những mảnh vỡ (như cánh, động cơ...) bị bắn ra với vận tốc lớn đã làm hư hại nặng nề những tấm cách nhiệt quanh các cột, do đó sức nóng dễ tỏa ra hơn. Những tấm trần nhà xuống cấp cũng góp phần dẫn nhiệt nhanh, thêm vào đó các vật dụng văn phòng đa số là các vật dễ cháy.

Những thử nghiệm về nhiệt độ

Những thử nghiệm này được tiến hành với những cột được bao phủ bởi một lớp không cháy và với những cột khác. Qua đó cho thấy nhiệt thoát qua những lỗ cách nhiệt ngày càng lan truyền rộng. 5 phút sau khi bùng phát hỏa hoạn, một cột được cách nhiệt tốt đã đạt đến nhiệt độ 3000C. Cũng trong khoảng thời gian này, nhiệt độ của một phần của những tấm sàn và các cột ở vùng trung tâm đã gần 5000C. Cấu trúc vi mô của thép thay đổi theo nhiệt độ. Ở 5000C, những cột ở trung tâm của WTC bắt đầu ngắn lại trong một quá trình gọi là sự rão (fluage), dẫn đến sự chống đỡ yếu ớt của thép khiến các tấm sàn đổ sụp xuống. Tuy nhiên ở vùng ngoài hình ảnh lại trái ngược, việc kết nối giữa các cột thép vẫn được giữ vững và các tấm sàn không đổ xuống.

Việc phân phối lại tải trọng

Do những kết nối ở khung của mái và sự yếu đi của các cột vùng

Một không gian làm việc của tòa tháp được tạo dựng lại để tìm hiểu sự tàn phá của ngọn lửa đối với cấu trúc của tòa nhà.

Bài học từ thảm kịch

NIST đã nhấn mạnh rằng tòa tháp đôi có thể không bị đổ sụp nếu các lớp cách nhiệt không bị tác động mạnh bởi các vụ va chạm. Theo NIST, bài học lớn nhất là việc đặt cách nhiệt một cách phù hợp và các yếu tố của việc chia thành các khoang lớn, đặc biệt là đối với các căn hộ nơi mà các yếu tố về kết cấu phụ thuộc lẫn nhau, giống như trong trường hợp của tòa tháp đôi. Bên cạnh đó, NIST cũng khuyến cáo việc lắp đặt các cửa sổ  cách nhiệt để làm giảm hàm lượng oxy tham gia sự cháy. NIST cũng đề cập đến khả năng cứu hộ của các thang thoát hiểm của WTC, chúng không đủ cho dòng người ùn ùn tìm đường thoát hiểm.

Nguồn: La Recherche; Tia sáng, số 17, 05/09/2006