Lecciones de ingeniería sobre el colapso de las torres del World Trade Center

En muy pocos días la humanidad estará próxima a recordar el primer aniversario del mayor acto de insania terrorista internacional que motivó el 11 de setiembre de 2001 el colapso de las dos Torres Gemelas del World Trade Center en Nueva York, donde perdieron la vida miles de ciudadanos de 49 naciones, entre ellos también peruanos.

Se ha escrito mucho sobre esta tragedia en relación con aspectos de política internacional; las repercusiones de estos actos demenciales en el mundo económico y financiero y lo que ello significa para el estilo de vida de nuestra sociedad post setiembre 11 de 2001. Pero no se ha escrito aún sobre la forma en que la ciencia, la tecnología y en particular la ingeniería asimila este trágico evento y los aportes de nuestra profesión para enfrentar estos condenables actos de similar insania, en donde cualquier instrumento necesario para nuestra vida cotidiana, como para el caso lo fueron los aviones, pueden convertirse en armas de destrucción. Estos actos de insania pueden golpear otra vez en cualquier parte del mundo y nuestro mejor homenaje al sacrificio de tantas víctimas inocentes es el de estar tecnológicamente preparados para evitar o amenguar los efectos de estas tragedias.

Los ingenieros y arquitectos tenemos que enfrentar este reto y lo primero que debemos reconocer es que hemos sido entrenados para diseñar edificaciones capaces de resistir tormentas, huracanes, terremotos, inundaciones y todos los denominados desastres naturales, también denominados actos de Dios, pero no estamos preparados para diseñar edificaciones para algo que nunca antes imaginamos: los actos del hombre, que son mucho más terribles cuando encierran odio y malicia. Los primeros, los actos de Dios, no buscan destruir ni matar, sino antes bien liberan temporalmente energía acumulada para evitar tragedias. mayores. Los segundos buscan todo lo contrario y utilizan la inteligencia del hombre para destruir y matar personas inocentes.

Descripción principal del Proyecto

El complejo de edificaciones del World Trade Center consistía en 7 edificios propiedad de la Autoridad Portuaria de Nueva York y Nueva Jersey, cuya construcción se inició el 5 de agosto de 1966, siendo inaugurado el 4 de abril de 1973.

Las Torres tenían 110 pisos habitables cada una, con una altura de 417 m. Las Torres eran de plantas cuadradas de 63.25 m de lado, un área total de 4,000 m2 por piso y un total de 1'200,000 m2 construidos, incluyendo sótanos y otras áreas comunes. En total tenían 239 ascensores y 71 escaleras. En su construcción se excavaron alrededor de 1.2 millones metros cúbicos; se fabricó e instaló 200 mil toneladas de acero, se vació 410,000 m3 de concreto, se colocaron 43,600 ventanas con un total de 60,000 m2 de superficie de vidrio. La Torre Norte tenía además instalada una antena de 120 m de altura. En suma, un hito histórico para la arquitectura y la ingeniería.

Aspectos importantes de concepción ingenieril

Durante la concepción y construcción de las Torres hubo necesidad de resolver problemas hasta entonces inéditos de arquitectura y de ingeniería. El objetivo fundamental del diseño arquitectónico era el de proporcionar grandes espacios libres sin columnas, para oficinas en cada piso, Jo cual como veremos más adelante contribuyó a su colapso. Arquitectónicamente el problema de concepción principal era de que, debido al gran número de pisos y área de la edificación, el sistema de ascensores no era rentable por la cantidad de espacio que ocuparía, problema que fue resuelto de manera creativa incorporando ascensores expresos y dividiendo la Torre en altura por pisos para servicio de ascensores en tres partes.

En cuanto a aspectos de ingeniería, el factor limitante para el diseño fue el viento, que es importante en la Isla de Manhattan, lo cual hizo necesario concebir un concepto innovativo de diseño, colocando acero de alta resistencia en las fachadas exteriores del edificio y haciendo que esa parte externa del edificio se comporte como un tubo calado, reemplazando al sistema tradicional de soportes de pórticos de columnas y vigas, de acero o concreto, en todos los pisos, construyendo en lugar de ellos dos núcleos o tubos rígidos concéntricos. El primero de ellos conformado por toda la fachada exterior como un tubo cuadrado de 63.25 m de lado constituido estructuralmente por 59 columnas de acero de sección cuadrada (45 x 45 cms) unidas con sus respectivas vigas pared mandil diseñadas para absorber carga vertical y lateral, y el otro configurado por el núcleo rectangular central de ascensores y escaleras de 24 m x 42 m que contenía 44 columnas de acero de sección cuadrada diseñadas para soportar carga vertical solamente.

El diseño estructural así concebido consideró una disposición económica de elementos ligeros entre estos dos tubos en cada Torre espaciados a l.OOm debidamente arriostrados y que soportaban una losa de concreto ligero de 20 cm en construcción compuesta, que permitían lograr además la funcionabilidad de disponer de grandes espacios abiertos, y una construcción modular que ayudó también a disminuir la inversión y por tanto una estructura muy eficiente con cantidad mínima de acero de 44kg/m2 y totalmente revolucionaria en su concepción.

Análisis de los efectos del impacto y probables mecanismos de falla

Las Torres fueron diseñadas para resistir 13,000 toneladas de presión de viento, lo cual hacía pensar que no existiría carga lateral mayor a ésta que pudiera poner en peligro la estabilidad del edificio, incluso ante el probable impacto de un avión, lo cual en la época se pensó como la posibilidad de un accidente del máximo avión conocido como el Boeing 707. Los aviones que impactaron las Torres desafortunadamente fueron Boeing 767, con una capacidad de energía de impacto mayor a la del Boeing 707 y con tanques también de mayor capacidad de combustible. Cada avión Boeing 767 tiene un peso probable cargado cercano a 200 t y es capaz de volar a una velocidad probable de impacto de 800km/h. Estos parámetros significarían que la fuerza instantánea de impacto en la edificación sería del orden de 7,550 t, muy cercana al 60% de la carga lateral última de diseño de viento, lo cual explica por qué en ambos casos las Torres resistieron inicialmente en pie a tan tremendo y aterrador impacto.

Uno de los aspectos graves a ser tomados en cuenta al analizar más adelante el probable mecanismo de falla, es el de la ligereza en los elementos de conexión de arriostre estructural entre los dos núcleos tubulares resistentes, que en este caso estuvo basado en la sucesión, en corto espaciamiento entre ellas, de vigas ligeras de celosía con arriostres transversales normal para entramados ligeros de celosía, que cubría el amplio espacio libre para oficinas entre los dos núcleos resistentes de la forma como se muestra en las figuras No. 1 y 2.

Si bien es cierto que las Torres inicialmente resistieron el impacto de tal energía descomunal liberada en el momento de la colisión cuando el avión se estrella, al igual que por un lado se disipa casi instantáneamente la energía de impacto al pulverizarse el avión, también se destruyó una parte de la estructura central que sostenía el sistema de ascensores y de escaleras, lo cual además cortó la circulación vertical desde los pisos superiores e inutilizó los servicios de ascensores. El efecto del combustible y el incendio posterior sobre los elementos ligeros del entramado de conexión entre los dos núcleos desafortunadamente fue devastador y no había sido considerado para energía calórica de esa magnitud, siendo que la pérdida sucesiva de ellos resultó también fundamental en el desenlace negativo de la edificación. El incendio cortó también el suministro de agua al sistema contraincendios interno de la edificación, haciendo que rápidamente éste se extendiera más allá de la capacidad de los bomberos.

La rigidez de la estructura es un factor determinante en el daño que ésta puede sufrir ante impactos como el tratado en el presente artículo. El autor tuvo la oportunidad de trabajar entre los años 1968 a 1971 en el diseño de estructuras de edificios llamados Contenedores para Plantas de Energía Nuclear en los Estados Unidos. Una de las hipótesis de diseño para una estructura tan crítica como la del reactor nuclear fue ya desde esa época la de un impacto contra la edificación de un Jumbo 747. Para aquél caso las estructuras son de medio continuo con paredes muy rígidas de espesores de más de 1.20 m y fuertemente pretensionadas en ambas direcciones: la vertical y la circunferencial. La rigidez así lograda es muchas veces mayor que -la de las esbeltas estructuras tubulares de las Torres. En el caso de los Reactores Nucleares, el impacto de un avión de masa tan inferior a la de la estructura del edificio que aloja el Reactor se consideraría en circunstancias algo similares a la del impacto de aviones contra cerros o montañas, es decir, la energía de impacto del avión prácticamente se disipa íntegramente en la explosión inicial cuando aún no hay penetración y el efecto sobre la edificación es así mínima.