Was Bauingenieure aus dem 11. September gelernt haben

Berufsangehörige studieren solche tragischen Ereignisse, um sicherzustellen, dass so etwas nicht noch einmal passiert

Die Ereignisse vom 11. September erschütterten die Welt. Vor diesem Tag konnten wir uns nicht vorstellen, dass jemand mutig und grausam genug sein würde, solche Gewalt auszuüben. Wir konnten uns nicht vorstellen, dass zwei ikonische 110-stöckige Wolkenkratzer mitten in einer US-Stadt einstürzen und andere Gebäude Hunderte von Metern in alle Richtungen aushöhlen und zerdrücken würden. Wir fragten uns: „Wie konnte das passieren? Wie konnten sie zusammenbrechen?“ Dies sind natürliche Fragen, die das Ausmaß des Verlustes zum Ausdruck bringen, den wir an diesem Tag empfanden.

Auch Bauingenieure stellten diese Fragen, aber sie stellten auch die Gegenfrage: Wie haben es die Türme des World Trade Centers überhaupt geschafft, dem Angriff standzuhalten, auch nur für kurze Zeit? Der Schaden war groß. Mit nahezu Höchstgeschwindigkeit fliegende Verkehrsflugzeuge prallten gegen die Gebäude, schnitten weite Streifen durch die Außenwände und richteten im Inneren erhebliche Schäden an. Hätte das nicht ausreichen müssen, um einen sofortigen Zusammenbruch herbeizuführen?

Die Zwillingstürme waren nicht dafür ausgelegt, der Art von Schäden standzuhalten, denen sie ausgesetzt waren. Allenfalls bei der Planung bestand die Sorge, dass ein verirrtes Flugzeug versehentlich einen der Türme treffen könnte. Die Ingenieure gingen möglicherweise davon aus, dass Brände in beiden Gebäuden wahrscheinlich auf eine Etage beschränkt wären und die Sprinkleranlagen ordnungsgemäß funktionieren würden.

Was wir sahen, war ganz anders. Viele wichtige Strukturelemente wurden sofort zerstört, und auf mehreren Stockwerken entzündeten sich aufgrund zerstörter Sprinkleranlagen gleichzeitig große Brände. Die Gebäude standen, wenn auch nur für kurze Zeit, vor allem deshalb, weil ihre Strukturen über redundante Mechanismen verfügten, um das Gewicht zu tragen.

Sie haben Fotos der Türme vor dem 11. September gesehen. Die Außenwände hatten schmale Fenster, die von ungewöhnlich eng beieinander liegenden Stahlsäulen flankiert wurden. Darüber hinaus befanden sich auf den Bodenebenen tiefe Balken, die ein dichtes Stahlgitterwerk bildeten, das die Gebäudeoberflächen bedeckte.

Ein Großteil der Schweißarbeiten wurde außerhalb des Geländes durchgeführt. Drei Stockwerke hohe und drei Säulen breite Paneele des Gitters wurden in einer Fabrik hergestellt und in die Innenstadt von Manhattan transportiert. Um die Festigkeit zu erhöhen, wurden diese Paneele wie Teile eines Puzzles vertikal versetzt, sodass ihre Ober- und Unterseiten nicht alle auf dem gleichen Bodenniveau ausgerichtet waren.

Die vier Seiten jedes Gebäudes bildeten eine Röhre mit Fensterschlitzen. Diese Röhre sollte das Gewicht des Gebäudes und seines Inhalts direkt nach unten zu den Fundamenten tragen. Die Wände fungierten als vertikale Balken, breit und hoch wie die Gebäude, die sich zur Seite neigten, um Windlasten aufzunehmen.

Als das Flugzeug Säulen- und Balkenreihen in die Außenwände schnitt, lieferte ein Feld des Gitterwerks über dem Schaden mehrere Stockwerke tiefe horizontale Balken, die den Spalt überspannten. Gleichzeitig wurden die beschädigten Außenwände teilweise an der darüber liegenden Struktur aufgehängt.

Die Festigkeit der eng beieinander liegenden Strukturelemente ermöglichte es den Wänden, ein wenig durchzuhängen, ohne völlig zu versagen. In diesem Zustand ermöglichten die stehenden Türme vielen Bewohnern unterhalb der Kollisionsgeschosse und in umliegenden Gebäuden die Flucht.

Zum Scheitern kam es schließlich, als die heftigen Brände im Inneren der Türme die Bodensysteme, die die Außenwände stützten, schwächten. Als die Mauern nachgaben, stürzten die oberen Teile der Gebäude als Blöcke ein und wurden beim Einsturz durch die unteren Stockwerke getrieben, ähnlich wie ein Axtkopf, der durch Holz getrieben wird, um es zu spalten.

Wir wissen auch, dass das Pentagon am 11. September mit einem Flugzeug angegriffen wurde. Weniger bekannt ist wohl, dass ein Teil der beschädigten Fläche etwa 20 Minuten stand, bevor sie ebenfalls einstürzte. Das fünf Stockwerke hohe Pentagon wurde von einem Flugzeug untergraben, das in den ersten Stock stürzte und zahlreiche Säulen dort und mehrere im darüber liegenden Stockwerk zerstörte. Dennoch hielt es lange genug stand, dass alle Bewohner der oberen drei Ebenen vor dem Einsturz evakuiert werden konnten.

Das Pentagon verfügt über einen stahlverstärkten Betonrahmen mit einem „Zwei-Wege“-Bodensystem: Balken verlaufen in beide Richtungen zwischen den Säulen und bieten einen sekundären Mechanismus zur Unterstützung des Gewichts. Bei der Zerstörung von Säulen sackte das darüber liegende Gebäude ab. Aberdie gekreuzten Bodenbalkenfungierte als Netz zur Abstützung des Bereichs oberhalb des Schadens.

Im Wesentlichen sind alle Betonsäulen, auch die des Pentagons, mit eingebetteten vertikalen Stahlstangen ausgestattet, die zusammen mit dem Beton das Gewicht tragen. Betonsäulen verfügen außerdem über horizontale Stahlstangen, die die vertikalen Stangen umwickeln und aussteifen und den Beton in der Mitte begrenzen. Wie es in den 1940er-Jahren üblich war, als das Pentagon gebaut wurde, wurden die horizontalen Stahlstangen zu Spiralen gebogen und umwickelten die vertikalen Stangen über die gesamte Höhe jeder Säule.

Das Verstärkungsmuster in den Säulen sorgte für Duktilität – was bedeutete, dass sie sich stark verformen konnten, ohne dass es zu einem tödlichen Bruch kam. Der Beton in der Mitte vieler der beschädigten Säulen blieb fest im Käfig aus vertikalen und horizontalen Stahlstangen eingeschlossen und blieb an Ort und Stelle, obwohl die Säulen in die Form einer Banane gebogen waren und sich in der Mitte auf bis zu drei ausbogen mal dem Durchmesser des Käfigs. Trotz dieser starken Verformung trugen viele stark beschädigte Säulen immer noch das Gewicht, wodurch die Fläche des Bodens, die als Netz fungieren musste, begrenzt war.

Der Teil des Pentagons, der letztendlich einstürzte, war weitaus kleiner als die gesamte Zerstörung durch das Flugzeug. Ebenso wie die Türme stürzte auch er ein, weil starkes Feuer kritische Balken und Säulen weiter schwächte.

Der Bauingenieurberuf untersucht Ereignisse wie den 11. September, um die Praxis zu verbessern. Viele dieser Studien wurden von Organisationen wie dem Structural Engineering Institute der American Society of Civil Engineers durchgeführt( SEI/ASCE), das National Institute of Standards and Technology und die Federal Emergency Management Agency verfügen über dokumentierte Eigenschaften wie Redundanz und Duktilität, die die Widerstandsfähigkeit gegenüber extremen Angriffen erhöhen. Aufbauend auf diesen Informationen streben Forscher und praktizierende Bauingenieure danach, unsere Bauwerke für den täglichen Gebrauch sicher und wirtschaftlich zu machen und auch im Schadensfall überlebensfähig zu machen.

Besonders besorgniserregend ist die Möglichkeit eines „unverhältnismäßigen Einsturzes“, bei dem es sich um einen großflächigen Einsturz nach sehr lokalisierten Schäden handelt. Wir gehen davon aus, dass große Schäden wie am 11. September zu einem Einsturz führen könnten, aber wir bemühen uns, einen Kaskadeneinsturz durch so kleine Ereignisse wie einen gewöhnlichen Brand, eine Explosion oder einen Aufprall eines fahrenden Straßenfahrzeugs zu verhindern.

Nach dem Bombenanschlag auf das Alfred P. Murrah Federal Building in Oklahoma City im Jahr 1995 veröffentlichte SEI/ASCE neue Leitlinien für explosionssichere Konstruktionen. Die Brände, die letztendlich das World Trade Center und das Pentagon zum Einsturz brachten, veranlassten SEI/ASCE, sich für eine bessere Analyse der Auswirkungen von Bränden auf Gebäude einzusetzen. In Kürze wird SEI/ASCE Ratschläge zur Minderung des Potenzials eines unverhältnismäßigen Zusammenbruchs veröffentlichen. Um zusätzliche Informationen zu sammeln und zu verbreiten, hat SEI/ASCE Collaborative Reporting for Safer Structures US eingerichtet, eine Clearingstelle für Ingenieure, um aus Fehlern gewonnene Erkenntnisse auszutauschen.

Wie alle anderen trauern Bauingenieure um die menschlichen, physischen und gesellschaftlichen Verluste des 11. Septembers, und wir fürchten die Möglichkeit katastrophaler struktureller Ausfälle in der Zukunft. Aber Ingenieure und andere Partner der Bauindustrie sind nicht selbstgefällig, wenn es zu Ausfällen kommt. Wir studieren, wir lernen und wir verbessern uns.

Dies ist ein Meinungs- und Analyseartikel, und die vom Autor oder den Autoren geäußerten Ansichten stimmen nicht unbedingt mit denen von Scientific American überein.

Donald Dusenberryist beratender Ingenieur und ehemaliger Präsident des Structural Engineering Institute der American Society of Civil Engineers.

Kate Wong

Daniel Cusick und E&E News

Brianne Kane

H.-S. Philip Wong | Meinung

Naomi Oreskes

Philip Ball