9/11 prijsvraag voor studenten techniek

0
499
Onderstaande hypothetische prijsvraag voor techniekstudenten schreef ik in 2016 uit, ter gelegenheid van de discussie 15 jaar na dato, voor studenten van mijn alma mater. Mater was echter not amused, dus hij mocht daar niet op de website blijven staan. Hij blijft echter pijpnlijk actueel. Vandaar een ongeveer re-run ervan hieronder:
INSTORTINGEN VAN HOGE GEBOUWEN
– EEN HYPOTHETISCHE PRIJSVRAAG –
COEN VERMEEREN PLEASE DON’T LEAVE A COMMENT
COLUMN: Technische Universiteiten zijn dol op technische uitdagingen. Daarbij is het meedoen aan wedstrijden voor studenten ook van enorme educatieve waarde. Kijk naar de enorme successen die de opeenvolgende NUNA teams in Delft hebben bereikt met hun zonnewagens bijvoorbeeld!
Ingenieurs
Ingenieurs nemen hun vakgebied zeer serieus. Ingenieursstudies zijn geen feeststudies. Ingenieurs maken de wereld van morgen en proberen van fouten uit het verleden te leren voor de toekomst. Voor een betere, veiligere wereld.
Een in het oog springende constructie op veel plaatsen in de wereld is het hoge gebouw. Steden zijn trots op hun hoge gebouwen. Steden zijn er vaak aan te herkennen. Dat begon al zo’n beetje met de bouw van de Eifeltoren in Parijs, maar ook in New York met het Empire State Building. Voor de één foeilelijk, voor de ander een toonbeeld van esthetiek.
De Twin Towers in New York waren ook van die skyline bepalende bouwwerken.
 Tot 11 september 2001. Toen ze in ongeveer een uur of anderhalf tijd binnen luttelijke seconden veranderden van solide iconen van wereldhandel tot smeulende puinhopen van verwrongen staal en verstoft beton. Bijna drieduizend mensen vonden de dood.
Leren van fouten
Ingenieurs leren van rampen. Zij trekken er de lessen uit voor de toekomst. Hoe erg het persoonlijk verlies ook is, er zijn altijd lessen te leren voor een beter technisch ontwerp. In dit geval voor torens die niet instorten bij vliegtuiginslagen gevolgd door brand. Overigens is het goed om te melden dat het Empire State Building een inslag van een vliegtuig heeft meegemaakt. En overleefd.
Vliegtuig vliegt Empire State building binnen
WTC Towers Designed to Withstand multiple Impacts of Loaded Boeing 707
WTC 
Het ontwerp van de Twin Towers was ook berekend op inslagen van vliegtuigen. De keuze voor een zwaar uitgevoerde kern bestaande uit 47 verticale kolommen, met daarbuiten vrije – want vrij van pilaren – kantoorruimte, omsloten door een perimeter van 240 dragende verticale kolommen aan de buitenzijde van het gebouw, was revolutionair. Rekening houdend met het toegenomen vliegverkeer en de wet van Murphy, konden de torens een inslag van één van de destijds grootste verkeersvliegtuigen, de Boeing 707, weerstaan. Er wordt zelfs gezegd, meerdere vliegtuiginslagen per toren.
Dat bleek ook wel want de in grootte vergelijkbare Boeings 767 zorgden niet in de eerste seconden voor instorting van de torens op 9/11.
De officiële uitleg van de instortingen is: schade door vliegtuigimpact, gevolgd door brand. Door die brand verwakte de stalen draagconstructie waardoor de volledige torens instortten.
Hebben de constructeurs dan geen rekening gehouden met de kerosine en de daaropvolgende kantoorbranden? Waarschijnlijk wel, want het was nog nooit eerder voorgekomen bij grote kantoorbranden in stalen hoogbouwconstructies, dat na vele uren brand de constructies waren ingestort. En zeker niet met de instortsnelheden die de Twin Towers op 9/11 lieten zien, namelijk bijna 12 seconden! Dat is bijna met de vrije valsnelheid.
9 and 11 seconds 
Overigens beweert de officiële onderzoeksinstantie NIST [National Institue of Standards and Technology] dat de instortingstijden respectievelijk slechts 9 en 11 seconden waren:
Officiele onderzoeksinstantie NIST
Gemakshalve – mede omdat het door de enorme stofwolken moeilijk is om dat precies te bepalen – gaan we uit van een tijd die net iets boven de vrije val snelheid ligt, die om en nabij 9,5 seconden bedraagt! Met andere woorden, het gebouw stort niet in alsof er helemaal geen weerstand meer is, maar met een zeer, zeer, zeer geringe (bijna 0) weerstand tegen vrije val instorting.
Veiligheid boven alles
Als je als vermogend burger een penthouse koopt op 400 meter – of zoals in Dubai op bijvoorbeeld 800 meter ! – hoogte, dan wil je natuurlijk weten of je daar wel veilig kunt wonen. Dat je niet in 10 tot 13 seconden beneden ligt bij brand ergens in het gebouw.
Om redenen van veiligheid moeten ingenieurs leren van 9/11: namelijk om gebouwen te ontwerpen die wel tegen vliegtuigeninslagen gevolgd door brand kunnen. Of tegen brand in het algemeen kunnen. Zoals gezegd zijn er nog nooit door brand staalconstructies volledigingestort, maar alleen op 9/11.
Om die reden ook moeten ingenieurs eerst begrijpen hoe het ontwerp en de rampzalige omstandigheden van 9/11 er voor zorgden dat dit – zoals we immers allemaal hebben kunnen zien – wel gebeurde. Dan hebben we het bewust nog niet over het derde gebouw, WTC 7, – 190 meter hoog en 47 verdiepingen staalconstructie – dat aan het einde van diezelfde dag ook volledig in slechts 6,5 seconden instortte. Dat was voor de meeste experts overigens een klassiek voorbeeld van een gecontroleerde sloop (met explosieven?!). Oordeel zelf.
Een explosievenexpert over deze instorting:
We beperken ons nu tot de WTC 1 en 2 torens.
prijsvraag wtc
Om het voor onze prijsvraag makkelijk te maken hebben we de volgende opdracht voor studenten bedacht. Zoals je kunt zien in het bovenstaandplaatje, hebben we te maken met een intact constructiedeel dat zich boven de impactzone bevindt. Dat zijn een groot aantal intacte verdiepingen. De impactzone zelf hebben we voor het gemak even helemaal weggelaten onder de vereenvoudigde aanname dat op een bepaald moment de constructieve sterkte van die zone – in ons geval stellen we dat die 4 verdiepingen hoog is, dus zeg maar in het geval van het WTC 1 en 2 gebouw zo’n 15 meter hoog – volledig weg is. Nul dragend vermogen vanwege de schade door de impact van het vliegtuig en de daarna door de brand verlaagde constructieve sterkte.
Dit is een zeer conservatieve aanname want in werkelijkheid zullen nooit alle kolommen zijn beschadigd of doorgesneden en zal er door brand weliswaar vermindering van constructiesterkte zijn opgetreden maar die zal nooit ineens tot nul zijn gereduceerd. Met andere woorden, dit is een worst case scenario.
Ingenieurs werken vaak met dergelijke aannames. Deze zijn dusdanig gekozen dat de omstandigheden van het experiment altijd zwaarder zijn, dan die in werkelijkheid.
Op tijdstip nul laten we dus de intacte bovenconstructie vallen op de intacte onderconstructie. Hou daarbij wel rekening met het feit dat de onderconstructie lineair sterker wordt naar beneden toe. Immers hoe lager de verdieping, hoe meer verdiepingen gedragen moeten worden. Dit is in werkelijkheid ook zo.
Opdracht voor de prijsvraag
Bedenk en bouw nu een dusdanige constructie, zodanig dat wanneer het bovenste kwartdeel van de constructie wordt losgelaten op de onderste driekwart van die constructie (het linker plaatje), deze binnen dezelfde tijd als berekend met de valversnelling (met een overschrijding van maximaal een derde van die tijd die de bovenconstructie in het rechterplaatje nodig heeft om de grond te bereiken), door de onderconstructie heen valt, zodanig dat beide delen volledig in hun kleinste samenstellende constructie-eenheden uiteen zijn gevallen.
Aangezien dergelijke experimenten op schaal kunnen worden uitgevoerd maar er wel degelijk toch schaaleffecten kunnen optreden, moet de constructiehoogte minstens 4 meter bedragen (maar maximaal 8 meter). Voorafgaande aan het experiment wordt bekeken of de onder- en bovenconstructie voldoende sterk en stijf zijn om – rekening houdend met schaaleffecten – verticale en horizontale krachten te kunnen dragen. Een veiligheidsfactor mag hierbij vrij worden gekozen, maar moet minstens een factor 3 zijn die statisch zal worden getoetst bij aanvang.
De winnaars van deze prijsvraag krijgen een beker en een oorkonde en zullen worden aanbevolen bij diverse gerenommeerde architecten- en constructiebureaus.
Experts over de relevantie van deze opdracht
Het WTC is ontworpen op vliegtuiginslagen
Het is bijna 17 jaar geleden dat de aanslagen van 9/11 in New York plaatsvonden. Daarover zijn volgens sommigen nog heel veel zaken onduidelijk. In 2015 was er in Delft geen debat – want geen van de Delftsche expert kon of wou komen – over de technische aspecten van de aanslagen. Misschien is het goed om daar nog eens naar te kijken. Het kan inspiratie opleveren voor een goed en impactbestendig ontwerp.
Architects and Engineers for 911 Truth – Richard Gage – Delft 2015
Succes!
Truth or Dare
Is dit een serieuze prijsvraag? Zou dit kunnen werken?
Als je denkt dat deze prijsvraag nooit te winnen is – bijvoorbeeld omdat het volgens de geaccepteerde en beproefde universele natuurwetten volstrekt onmodelijk is – dan betekent dat automatisch dat je niet gelooft in de officiële uitleg van de instortingen van de 3 WTC torens… Ik ben benieuwd hoe jouw hoogleraar zich daaruit worstelt…
Daarentegen als het je lukt om bovenstaande voor elkaar te krijgen, dan maak je je in een slag wereldberoemd en onsterfelijk, omdat je alle ‘complottheoriën’ voorgoed naar het land der fabelen hebt verwezen. Misschien moet je je hoogleraar inderdaad maar eens vragen waarom hij (zij) dat zelf nog niet gedaan heeft… en tegelijkertijd aan NIST vragen waarom ze voor zoiets triviaals meer dan 10.000 pagina’s nodig hadden om te concluderen ‘bladiebladiebla… en dat instorting onvermijdelijk was omdat we die instorting op de video’s hebben kunnen zien….’
Ik ben heel erg benieuwd naar jullie technisch inhoudelijke reacties en Youtube filmpjes.
ceterum censeo
Overigens ben ik van mening dat het logisch en abstract denkvermogen van ingenieurs vaker zou moeten doorklinken in het publieke debat. Ongeacht welk debat. Ingenieurs zijn in hoge mate verantwoordelijk voor alle gebruikte en misbruikte techniek in de wereld. Zij zouden zich veel nadrukkelijker moeten bemoeien met hoe en waar en door wie hun technologieën gebruikt worden. Een stevig basis in moreel en ethisch besef is hiervoor noodzakelijk, naast een goede kennis van de historie en de actualiteit van alle menselijke geloofssystemen: zoals daar zijn o.a. wetenschap, techniek, economie, filosofie, religie en politiek. Voorwaar geen sinecure, maar voor een werkelijk vreedzame ontwikkeling van onze soort van het allergrootste belang. Met respect voor elkaars standpunten in een taboe- en waardevrij debat, waar men openstaat voor de inzichten van de ander. Om zo in gezamenlijkheid, in het besef dat de menselijk soort een werkelijk oneindige creatieve potentie heeft, alle ontstane problemen op te lossen .
dr.ir. Coen Vermeeren, 11 september 2016
EPILOOG
Tot zover deze uitdagende (nog steeds) hypothetische prijsvraag uit 2016. Ik ben benieuwd wie deze opdracht eens in werkelijkheid gaat toetsen. In Nederland dan, want in de VS is dit al eens gedaan door constructeur Jonathan Coleman. Zijn ontluisterende filmpjes zijn hieronder een waar genoegen om naar te kijken. Tenminste, als het allemaal niet zo intens triest was.
Testen op schaal van de instortingen van de Twin Towers