崩溃场景的高层建筑利用塑性极限分析

文摘

双子塔的世界贸易中心(WTC)在纽约,2001年9月11日美国崩溃。这一事件被认为是对高层建筑在历史上最严重的灾难。崩溃场景的调查仍在进行。可能的崩溃场景由当地和国际专家评估报告。另一个可能的崩溃场景基于两个假设的世贸中心提出了本文和塑性极限分析的概念应用于评估近似极限载荷。根据理论分析和数值计算,可以得出一个结论,大型火灾、恐怖袭击引起的扮演了一个重要的角色在世贸中心的倒塌。

1。世界贸易中心

世界贸易中心(WTC)在纽约双子塔,美国,倒在9·11事件(例如,1,2),两个前十世界上最高的建筑。南塔的高度1368英尺,北塔的高度1362英尺。两塔有110层的标准层高3.676米。两个塔楼在外观相同的大约207英尺的街区。每个建筑面积重量约500 000 t。每一方的外墙由59钢柱的侧14英寸密集安排在40英寸的间隔。建筑外墙布满了银色铝表。风在正常条件下,屋顶振荡可以高达2.8米。

世贸中心是由坚固的钢结构具有良好的结构设计。建筑仍保持完好多年后施工。他们没有立即崩溃的巨大影响下飞机。波音757和767飞机被恐怖分子劫持的起飞重量和分别,他们驾驶向塔约为1000公里/小时。据幸存者,建筑振荡飞机失事后约1米。两塔并没有立即崩溃,给一些时间住户逃脱。这也表明,物理可能不是影响因素导致崩溃。

许多报道和文章出现在文学与不同的观点(2- - - - - -17),包括概念从力学的角度逐步崩溃的想法(18,19]。先前的分析文献[18)显示,如果长时间加热导致一个地板的大多数列失去负荷能力,整个塔是注定要失败的。可能的崩溃场景的世贸中心将在本文提出关注之间的动态交互的上部结构层上面已经失去了负荷能力和关键楼以下的下部可能诱发的整体崩溃的城楼。

2。可能原因崩溃

钢铁是用作世贸中心的主要结构材料。众所周知,钢的强度将会减少当加热温度以上虽然火灾防护涂料应用在结构材料、涂料等可能不是有效的在这么大的火。有建议的耐火涂料在事故中被撕掉,甚至不够厚涂料层,只有1.5英寸。

波音757飞机撞击的北塔可能携带多达000加仑(38 000升)的燃料。波士顿国际机场起飞七59点,北塔的94层到94层四十六分。波音767飞机撞击世贸中心南楼波士顿国际机场14点钟起飞和撞击南楼78层到78层的上午9:03。

有不同意见多少液体燃料在火灾中被烧毁。自从飞机撞上大楼起飞后不久,有些报告说,只有16%的燃料消耗。因此,剩余的燃料可能被带进建筑。闪络是开始给成熟的火以室内温度高。长这样的大火灾燃烧时间减少钢柱的强度,特别是在那些地板被飞机撞击。计算(20.]表明,建筑内部的存储的可燃物,如桌子、家具和纸了火灾荷载在每个水平高于可燃航空燃料泄漏从飞机。

钢结构系统可能比建造摩天大楼的建筑。然而,在混凝土结构相比,其耐火性差是一个问题。实验研究表明[21),没有多少变化在温度低于低碳钢的属性。然而,以上随着温度的增加,其弹性减少。屈服应力和极限拉伸应力显著降低其变形系数增加。在其弹性模量的50%,在室温下,承载能力随着温度的增加减少。耐火时间将会减少,当温度时间曲线结果远高于标准曲线上的防火测试。钢结构的耐火涂料应用到世贸中心也许不是很有用,在这么大的火。随着钢铁暴露在高温长时间的一段时间,其承载能力降低,直到它最终崩溃。

世贸中心的承载结构外部列和中央列。外部列孔40%,而中央列孔建筑的重量的60%。自南塔附近的一个相对较低的位置的建筑,外部的钢柱被严重损坏。北塔是在一个相对较高的位置,附近建筑的核心部分。因为伤害的角落列南塔比这更严重的是在北塔,南塔更容易弯曲,形成塑性铰。这或许可以解释为什么北塔倒塌后1小时43分钟,超过1小时2分钟的南塔。

Usmani et al。22]研究了轴向约束梁的稳定性受到不同的火灾条件,并提出了理论描述的关键现象控制复合框架结构火灾的行为。一个有限元模型也被Usmani et al。23]探讨世界贸易中心双子塔的稳定性在不同火灾场景。结构破坏,由于恐怖袭击并不包括(可以说是结构动态载荷作用下没有报道)。分析结果表明,热膨胀效应比的影响更严重,由于材料强度和刚度的损失。破产机制发现失败是一个简单的稳定直接关系的影响。这种机制不依赖于结构连接的失败。

事实上,火灾在建筑物会产生几何(热膨胀)和材料影响(减少强度和刚度)结构元素。计算模型和分析研究[23说明,对于大型框架结构,前者效应占主导地位的行为结构的早期阶段;而后者效果接近失败更重要。层桁架系统很长,细长而不是为平面设计的力量(膜或轴向压缩将超过鞠躬在加热地板从顶部和底部),外部列将推出。最终,增加膜外按压由于热膨胀和地板的细长高会导致屈曲的地板上。随着时间的推移变形量将进一步增加。这种地板的几何形状的改变系统将进一步减少轴向的能力,导致快速失去侧向约束的列。如果几层受到火灾的影响,一个非常小的负载会扣外部列在不同的屈曲模式如图1。这可能是不稳定了崩溃的原因。在本文中,首先假设外部列失去稳定的地方给塑料铰链。塑性极限分析(24)可以应用于计算最小负载导致的崩溃。

3所示。提出的一项研究

提出了一种研究模拟南塔倒塌。观察后,碎片是均匀分布在建筑工地的两面,这表明崩溃并不是由于一个承载列;否则,该建筑将斜向一侧。由于最低总能量,三个塑料铰链被认为在位置如图2。三个塑料铰链可能导致建筑竖向荷载的作用下。如果的总高度是低水平建设受到飞机后,以下可以到达:

建筑没有倒塌后立即的影响;只有部分受损。然而,大型postflashover火灾造成的影响会导致结构支持元素在强度逐渐降低。燃烧了1小时后,上层失去支持和崩溃。上层的重量保持不变,只有部分被击中的结构性压力逐渐降低。这可能被视为一个静态负荷增加过程中负载恒定结构强度逐渐增加。

本文基于塑性极限分析的方法和拉格朗日动力学(24),结构损伤的临界载荷是通过最少的原则来解决虚拟工作。动量守恒会给结构的瞬时时间损失。这一次不是着火时间也不是即时当建筑物倒塌。这是上层水平和低水平的影响的时候一起崩溃前的水平。这个量是很难从观察推断。

4所示。塑性铰的概念

线性弹性理论应用于结构的应力分析和设计。结果通常是令人满意的,但也有一些限制钢铁和铝结构。如果应变能力扩展到远高于弹性极限、弹性极限分析不适用。

只考虑总时刻和总应力弹性极限分析的结构。虽然容易推导出平均应力,应力不均匀分布。条件下的弹性极限分析,当地的高应力区域进入塑性范围。这将使结构弹性极限分析非常困难。

塑性极限分析(24不会有上面的问题。弹性模量的方法是独立的剩余压力和加载历史。它只取决于结构和加载方向。梁的破损和飞机上回顾研究框架,加载失败只取决于极限的时刻。没有与曲率的关系结构。

绝对的刚塑性材料的一个特征是,轴承力矩低于极限扣的时刻曲率为零。当曲率可以采取任何数值。塑料铰链会除了转移。

以一个矩形截面梁为例与尺寸如图3和轴图4轴承pure-buckled时刻横断面图11之间的距离,22dx,是对称性轴的横截面和是中性轴。在屈曲,bb将改变成在哪里,,中性层的曲率半径和吗是相对度旋转。的压力是

从上面的压力成正比:

与杨氏模量absolute-elastic条件和屈服应力,当足够小,压力几乎是弹性的,然后呢

如果在较低的边缘和上边缘()、弯曲力矩和曲率

请注意,不是梁的承载力。

如果现在逐渐增加,较低的边缘和上边缘将达到屈服应力。然而,内部线程尚未达到屈服应力。应力分布将被改变。因此,

如果继续增加,表面plastic-elastic互动会转移到梁的中性层如图5。当,梁会变成绝对的塑料。它可以得出的结论是,限制扣的时刻是

塑性极限分析的详细审查应用在实际工程问题在文献[24]。

5。塑性极限分析崩溃

通过简化构建成一个统一的小棒和表示静态加载积极力量的系统负载和弯矩由于塑料铰链。

根据虚位移原理,充分必要的平衡条件理想约束系统是工作在任何虚拟位移之和的主动力量作用于系统是零。的数学表达式

在哪里积极的力量和吗就是虚拟位移。

在一个角度作为广义坐标,竖向荷载的作用下,如果逐渐增加到一个临界点,就会损坏。的临界值是系统的关键价值平衡。虚位移原理后,虚拟位移可以用广义坐标的形式:

在哪里广义坐标。

在双方上述变化方程,然后

用上面的(8)的虚拟工作

在哪里代表着积极的力量作用于任何粒子(11)是写成

在哪里是广义虚拟位移,工作的维度,在方程中被称为广义力与广义坐标

对于完整的系统,虚拟位移这些广义坐标是独立的,所有非零少量。

也就是说,在虚位移原理由广义坐标表示,必要的和足够的平衡条件的完整系统具有理想约束的广义力活跃力对系统每个广义坐标及其对应的值为零。

所有活动所做的虚功部队在相应的虚拟位移是由:

然后,

对有关问题在这篇文章中,只有一个广义坐标,即角(不同的广义坐标,如:可以假定其他应用程序)。重力的中心,和部分点 分别为小位移

从(17),广义力是

因此,

方程(19)的相关方程 在系统平衡最大弯矩的作用下不包括结构的重量。系统将被打破

作为世贸中心建于主要由钢柱,高性能钢铁屈服应力和抗拉强度选择在这个研究。作为当外部钢柱变形、压缩被摧毁的地区第一,紧随其后的是地区的紧张局势。世贸中心的承载结构的布局图所示6。建筑特点如下。

(我)南塔:1368英尺或417米,110层,500 000吨,达到78层到78层。(2)北塔:1362英尺或415米,110层,500 000吨,达到94层到94层。

南塔,

北塔,

在自由下落上水平作用在较低的水平

给:,,。

从动量守恒,冲动粒子由于外力等于粒子动量的变化。为刚塑性模型,弹性能量由于外力被忽略:

自由下落的势头上水平的南塔

自由下落的势头上北塔的水平

塔的横截面的变形破损可能是沿着惯性轴或轴。如此详细的信息不可用,它们是相同的。

使用

在哪里是按列的中心之间的距离和塔的横截面的中心;是拉伸的中心之间的距离列塔的横截面的中心;是按列的横截面积;和的横截面积是拉伸列。

的最大弯矩塑料铰链屈服应力时可以获得所有的按列,屈服应力的拉伸列达到了正如我们所知,有四个面钢柱和建筑的核心部分。因为外部的钢柱广场的形状长度英寸(约0.3556 m),安排每隔约1.016米,最长的距离之间的外部列轴和飞机承载结构的重心(或31.5)。据报道(25,26),中央没有列弯曲塑性极限分析理论应用于计算空心管。结果将是相同的固体的减去两个维度的不同固体列一列对应的外半径空心管。其他的尺寸都是一样的空心管的外半径。双子塔的每一方(207英尺),用这种小尺寸的空心列,细长的空心列作为坚实的矩形。所以中央列的面积是:英寸(或者)。这给了

在哪里

因此,

的最大弯矩塑料铰链可以得到使用

从(19),也就是说,可以计算出最大负载。在这里被认为是1。在实践中,暴露在高温、变形钢的屈服应力逐渐降低,也就是说,与η慢慢减少。应该指出,如果我们能获得的近似估计与温度的影响燃烧的部分和导电系数的传热结构,我们可以计算的精确的临界载荷引起的崩溃。然后,行动时间可以通过计算(24)以上。

作为不等于中心,中心轴不是在双子塔倒塌。塑料铰链的最大弯矩计算

在这篇文章中,假定等于什么在崩溃,,中性轴的中心塔的横截面()。近似弯矩可以推导出当我们大约设置。

(我)南塔,当和自由下落上层之间的交互水平和低水平是一个完整的刚性影响行动(例如,):

向下的重力上层的重量

比较来会给

当屈服应力地板的几个钢柱的受火成为初始强度的18.2%,也就是说,,南塔可能崩溃:

北塔(2),当自由下落上层之间的交互水平和低水平是一个完整的刚性影响行动(例如,):

向下的重力上层的重量是:

比较来会给

所以,当产生压力火灾的几个钢柱地板成为初始强度的10%,也就是说,当,北塔可能崩溃:

6。数据分析

从上面的数据中,我们可以得出一些结论。南、北塔的极限载荷和,分别。双子塔将不会崩溃,直至产生压力几种钢柱在火灾中影响地板成为南塔18.2%北塔(10%)的初始强度,也就是说,当和,分别。也就是说,外部静载荷(上层)的严重性远低于这个极限荷载。没有大的火灾,破坏了钢柱的刚度较低的部分,钢柱的结构将会强大到足以支持建筑。

连续火灾受损的钢柱的刚度较低的区域以及损害该地区的结构。暴露于火1小时后,这两个两个领域失去了力量,导致一个更小的极限载荷(),改变了静态加载到动态影响。

如果我们将和常数(确保没有减少的刚度较低楼层),和上层之间的交互影响负载和低水平(即完全刚性影响行动。的相互作用后,自由下落的终端速度上的水平是0),然后我们有以下。

(我)南塔,如果较高层和较低层之间的交互作用时间,该建筑将会崩溃。如果交互时间,这座建筑将会崩溃只有当较高层和较低层互动力量。(2)北塔,如果较高层和较低层之间的交互作用时间,该建筑将会崩溃。如果交互时间,这座建筑将会崩溃只有当较高层和较低层互动力量。(3)从图7时的值和落入右上角区域上方的曲线,南、北塔将会崩溃。

之间的交互上负载和低水平的影响(即不是完全刚性影响行动。的相互作用后,自由下落的终端速度上的水平),只有当交互作用时间非常短,互动的力量将足够大导致的崩溃构建如图8。相反,长时间燃烧较低楼层的刚度严重受损,导致崩溃。

7所示。结论

塑性极限分析在这篇文章中,一个想法也许不限于被应用于研究可能崩溃场景世界贸易中心。也许是结束在这个运动,两个世贸中心大厦的崩溃是由于一堆很大的篝火。结构的强度和刚度应该强大到足以支持整个上层的重量。然而,如果结构的承载力逐渐降低由于火灾,钢的屈服应力和极限拉伸应力列也会减少两个塔倒塌。两个塔被击中在不同的地方,两塔崩溃时间是不同的。

引用

1. j . r .发问者,”华盛顿前景。”航空周刊与空间技术2001年9月,33岁的页。视图:谷歌学术搜索
2. w . k . Chow w . y .挂,“可能世界贸易中心双子塔的倒塌的场景,“亚洲消防与安全》杂志上,24-37,2005页。视图:谷歌学术搜索
3. 世界贸易中心建筑性能研究,联邦应急管理局联邦应急管理局,2002年。
4. j·g . Quintiere m . di Marzo, r·贝克尔”的提出原因fire-induced崩溃的世界贸易大楼,”消防安全》杂志,37卷,不。7,707 - 716年,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. w . k . Chow”演讲的基本为香港在高层建筑消防安全规定:教训世贸中心事件”,“香港建设经理,香港,2002年1月。视图:谷歌学术搜索
6. w·g·科里,”经验教训提高建筑物的抗恐怖袭击,“《构建设施的性能,18卷,不。2、68 - 78年,2004页。视图:谷歌学术搜索
7. r·g·雷姆曾为此写过w·m·皮特·h·r·鲍姆et al .,“初始模型在世贸大厦火灾”学报》第七届国际研讨会消防安全科学d·d·埃文斯,艾德,pp,批准国际消防安全科学协会(IAFSS),波士顿,质量,美国,2003年6月。视图:谷歌学术搜索
8. j . Milke“世贸中心的建筑性能的研究灾难。”消防工程卷,18 -,2003页。视图:谷歌学术搜索
9. j·g . Quintiere“从9/11的机会,”消防工程卷。21日,研究,2004页。视图:谷歌学术搜索
10. j·g . Quintiere审查NIST世贸中心的调查,“摩天大楼安全活动,17-31,2004页。视图:谷歌学术搜索
11. “来自NIST世贸中心调查发布的最新调查结果。领先的崩溃序列定义为每一个世贸中心大厦”,NIST和世界贸易中心,国家标准与技术研究所的盖瑟斯堡,医学博士,美国,2004年。视图:谷歌学术搜索
12. 纪录片NIST收到的信息,新闻和事件,NIST和世界贸易中心,国家标准与技术研究所的盖瑟斯堡,医学博士,美国,2004年。
13. ”项目2-Baseline结构性能和飞机撞击破坏分析,“联邦大楼,世贸中心的消防安全调查灾难,NIST和世界贸易中心,国家标准与技术研究所的盖瑟斯堡,医学博士,美国,2004年。视图:谷歌学术搜索
14. ”项目6-Structural火灾响应和崩溃的分析,“联邦大楼,世贸中心的消防安全调查灾难,NIST和世界贸易中心,国家标准与技术研究所的盖瑟斯堡,医学博士,美国,2004年。视图:谷歌学术搜索
15. “关键的发现NIST的联邦大楼2004年6月进度报告和世界贸易中心的消防安全调查灾难,”技术。代表,NIST和世界贸易中心,国家标准与技术研究所的盖瑟斯堡,医学博士,美国,2004。视图:谷歌学术搜索
16. w . y .挂和w . k . Chow“可能世界贸易中心双子塔的倒塌的场景,”程序的子群4:“烟运动和有毒有害气体转移在火”的国家973项目“火灾动力学和消防安全基础”16 - 24页,合肥,中国,2004年5月。视图:谷歌学术搜索
17. “世界贸易中心双子塔崩溃”,最终报告。联邦大楼和消防安全调查世贸中心的灾难、国家标准与技术研究院、国家建设安全团队,盖瑟斯堡,医学博士,美国,2005年9月。视图:谷歌学术搜索
18. z . p . Bažant和y周”,为什么世界贸易中心倒塌?简单的分析”,《工程力学,卷128,不。1,2 - 6,2002页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
19. z . p . Bažant和m .翠绿”逐步崩溃:力学学习世贸中心和建筑拆迁,“《工程力学,卷133,不。3、308 - 319年,2007页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. j·罗伯茨,“高楼towers-the之后的未来。设计针对灾难。”Ingenia,17卷,7号到9号,2003页。视图:谷歌学术搜索
21. “钢骨结构在火灾条件下的行为,“技术代表、DETRPIT项目,土木与环境工程学院的爱丁堡大学,爱丁堡,英国,2000年,http://www.civ.ed.ac.uk/research/fire/public_html/Cardington/SM3.pdf。视图:谷歌学术搜索
22. a . s . Usmani j . m . Rotter拉蒙特,a . m .萨那德和m .侍从,“热影响下的结构行为的基本原则。”消防安全》杂志,36卷,不。8,721 - 744年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. a . s . Usmani y . c .钟和j·l·斗牛士”怎么世贸中心双塔倒塌的:一个新的理论,“消防安全》杂志,38卷,不。6,501 - 533年,2003页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. p·g·霍奇塑料的结构分析,科学出版社,北京,1966。
25. w . Cheng和j·k·吴”,世界贸易的崩溃过程塔从爆炸力学的角度,“在工程力学,23卷,不。6,73 - 75年,2001页。视图:谷歌学术搜索
26. d . w .刘”,力学研究世界贸易大厦的崩溃,“科学技术与工程,5卷,不。6,1671 - 1815年,2005页。视图:谷歌学术搜索

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