Sự sụp đổ của tòa tháp đôi

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

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
Câu hỏi đầu tiên được đặt ra là liệu kiến trúc của WTC có vấn đề? Được xây dựng trong vòng 2 năm (từ 1968 đến 1970), tòa tháp Bắc (WTC 1) và tòa tháp Nam (WTC 2) là những bộ phận chính của tổng thể kiến trúc gồm 7 tòa nhà. Dù hình dáng bên ngoài (hình hộp cao 415m và bề ngang 64m) nhìn bình thường, song cấu trúc của nó rất độc đáo: tiết kiệm các cột vốn được dùng để chống đỡ các tòa nhà lớn để có khoảng không gian làm việc rộng lớn hơn. Kiến trúc của WTC được xây dựng trên cơ sở một ống thép (mặt ngoài) bao gồm 236 cột ngoại vi. 40 cột thép trong trung  tâm cấu trúc để thang máy và cầu thang men vào. Một hệ thống giảm xóc được đặt giữa mặt tiền và các tấm sàn cho phép giảm xóc do sự dao động tự nhiên của một tòa nhà khổng lồ. Cuối cùng, những khung kim loại bao trùm mỗi tòa nhà. Chúng được xây dựng để chống đỡ 2 ăng-ten cao khoảng 100m, đồng thời chúng cũng nối tâm của tòa nhà với mặt ngoài. Vì vậy một sự phân bố lại tải trọng được đảm bảo.

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
Để hiểu nguyên nhân của vụ sụp đổ này, các chuyên gia của NIST đã tái lập thảm kịch trên máy tính, từ lúc xảy ra va chạm cho đến khi tòa nhà sụp đổ hoàn toàn. Để mô hình hóa, người ta đã xây dựng “ảo” 8 tầng của 2 tòa tháp. Một loạt mô phỏng được tiến hành để tìm hiểu tại sao những khoang kim loại của máy bay cũng như của 2 tòa tháp lại bị chia cắt thành từng mảnh.

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
Dựa vào dữ liệu, người ta đã phác họa ra sự khác biệt lớn giữa các trận hỏa hoạn của 2 tòa tháp. Ở WTC 1, sự lan truyền ngọn lửa bị hạn chế bởi thiếu khí, đám cháy di chuyển từ hướng Bắc (gần nơi xảy ra vụ va chạm) về hướng Nam, dẫn đến nhiệt thiêu rụi các cửa sổ. Ở WTC 2, hướng đâm của máy bay đã gây nên sự tích tụ của rất nhiều mảnh vỡ dễ cháy ở góc Đông-Bắc của tòa nhà, vì vậy những đám cháy dữ dội và mạnh mẽ hơn. Tìm hiểu ảnh hưởng của nhiệt, các chuyên gia phải kết hợp mô hình hóa trận hỏa hoạn với việc phân tích cấu trúc của tòa tháp. Họ làm mô phỏng cho những cột thép của WTC chịu nhiệt độ ngày càng cao dần.

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

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 trung tâm dẫn đến sự phân bố lại tải trọng ra các cột ở vùng ngoài, điều này làm các mặt ngoài yếu đi và gây nên sự mất ổn định lớn. Theo những dữ liệu về thời gian (56 phút đối với WTC 2 và 102 phút đối với WTC 1), những cột này trở nên không có khả năng chống đỡ tải trọng của phần trên. Năng lượng được giải phóng do sự chuyển động của phần trên cũng như phần dưới được giữ nguyên. Nhưng vì sao tòa nhà WTC 2 sụp đổ nhanh hơn tòa nhà WTC 1? Vì đường đi của máy bay nên các cột ở vùng trung tâm của WTC 2 chịu ảnh hưởng nhiều hơn. Đường đi của máy bay lúc va chạm lệch so với tâm của mặt ngoài, điều đó dẫn đến những đám cháy cục bộ hơn và mạnh mẽ hơn. Hậu quả là các cột mất khả năng chống đỡ tải trọng một cách nhanh chóng.

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.