Skyskraperen som ligger ved gatenummeret 235 East 42nd Street på Manhattantidligere Pfizer-hovedkvarter, har nylig fått betydelige strukturelle skader forårsaket – antagelig – av de pågående arkitektonisk-funksjonelle ombyggingsarbeidene. Noen bærende stålsøyler har nådd en tilstand med ustabil likevektaltså deres maksimal utholdelig aksiallast. Etter oppnåelse av denne grensetilstanden, viste søylene betydelige bøyningsdeformasjoner, med påfølgende svikt i etasjene over. For tiden, bygningen og de omkringliggende blokkene ble evakuert som en forholdsregel, sammen med annen bebyggelse i nærområdet, med trafikk sperret i tilstøtende gater, og det pågår undersøkelser og tekniske undersøkelser for å avklare dynamikken. I denne artikkelen forklarer vi fra et teknisk og teknisk synspunkt ustabilitetsfenomenet som involverer de kollapsede søylene.
Hva skjedde med New York-bygningen: dynamikken i hendelsen
Den aktuelle skyskraperen er én 37-etasjers tårnmed stål bærekonstruksjon og utvendig gardinveggkonvolutt (gardinvegg). Det pågående prosjektet innebærer ombygging av bygget fra forvaltningsbruk (kontorer) til bolig, med oppføring av over 1600 leiligheter. Inngrepet ville ha forutsett tillegg av nye nivåer på toppen og utvidelse av det øvre volumet. Bymyndighetene og New York Fire Department (FDNY) bekreftet at kollapsen påvirket to hovedsøyler mellom 21. og 22. etasje, noe som resulterte i påfølgende kollaps av etasjene opp til 26. nivå. Oppsummert har disse pilarene blitt overbelastet av intervensjonen, en en tilstand som åpenbart var forventet og påregnelig allerede i prosjekteringsfasen. Det gjenstår imidlertid å fastslå om konstruksjonen manglet tilstrekkelige forsterkninger for å tåle økningen i belastningen, om det var en alvorlig undervurdering av den aksiale bevegelsen forårsaket av overhøyningen, eller om det i denne konstruksjonsfasen var tilstede laster større enn de tillatte. Heldigvis er det foreløpig ikke meldt om personskader.
Fenomenet knekking: ustabilitet på grunn av toppbelastning
Fra et strukturelt synspunkt er det observerte fenomenet kjent og mye studert: stålsøylene har brukt opp sin evne til å motstå kompresjongår mot kritisk belastning av knekkinget engelsk begrep som i konstruksjonsteknikk identifiserer ustabilitet på grunn av knekking. Denne typen ustabilitet, som helt og holdent involverer det involverte strukturelle elementet, manifesterer seg gjennom dannelsen av merkbare bøyebevegelser, fraværende for påførte belastninger lavere enn den kritiske terskelen. Dette lumske fysiske fenomenet er den primære stabilitetsgrensen for et komprimert element og avhenger direkte, så vel som av materialets mekaniske egenskaper, av dets slankhetsom er en kombinasjon av tre grunnleggende parametere:
- Lengde av elementet: jo lengre et element er, jo lavere vil belastningen være knekking;
- Grad av begrensning ved endene av kolonnen: jo mindre den er begrenset, jo lavere vil belastningen være knekking;
- Treghet (bøyestivhet) av metallprofilen som brukes, som også er et indirekte mål på profilens «form».
Når en søyle blir utsatt for aksiale belastninger, i utgangspunktet har en tendens til å forkorte elastiskmed praktisk talt umerkelige bevegelser. Imidlertid et reelt element (selv om produsert ved hjelp av industrialiserte prosesser) det er aldri geometrisk perfekt: det er uunngåelige produksjonsmikrofeil, små monteringsfeiljusteringer på stedet og interne spenninger (kalt ‘restspenninger’ i teknisk sjargong) som stammer fra stålvalseprosessen.
På grunn av disse avvikene fra den optimale konfigurasjonen, komprimerer vertikale laster ikke bare seksjonen, men de utløser en fleksjon fra de første øyeblikkene kolonnen lastes. Disse bøyningene forblir beskjedne – og derfor også umerkelige – hvis den tilstedeværende aksiale spenningen forblir relativt lav. Men når denne innsatsen nærmer seg belastningen på knekkingkan kolonnen ikke lenger opprettholde den opprinnelige rettlinjede konfigurasjonen og kan «buler» sidelengs på jakt etter en ny balansesom ser ut til å være ekstremt ustabil; hver minste forstyrrelse, så vel som de fysiologiske vibrasjonene på en byggeplass, genererer en uttalt sideglidning som er et tegn på utløsningen av det ustabile fenomenet, og derfor kollaps. Fenomenet er det samme som det som observeres når du komprimerer endene av en fleksibel linjal for kraftigøker bøyningen i midten betydelig inntil den når, når det gjelder søylen, plastisering og permanent deformasjon av metallet.
I denne kritiske tilstanden, kolonnen den mister nesten all sin bæreevne. Lasten, som ikke lenger kan overføres vertikalt langs sin akse, omfordeles unormalt mot de omkringliggende elementene – tilstøtende bjelker og søyler – på måter som ikke er forutsett av den strukturelle utformingen. Denne migrasjonen av spenning forårsaker uunngåelig deformasjoner av dekkene, som dokumentert de siste timene. Nødevakuering og umiddelbare sikkerhetstiltak av bygningen representerer den absolutte prioritet i møte med denne typen krise, som er teknisk identifisert som totalt brudd på en Ultimate Limit State (SLU) for strukturen.
