一个设计缺陷差点导致花旗集团中心倒塌，以及如何修复

Veritasium

花旗集团大厦为何建在高跷上 [0:00]

• 独特设计的起源 [0:05]
  • 在1960年代，花旗集团寻求在曼哈顿的一块城市街区建造新的总部，圣彼得教堂就位于该街区。
  • 教堂拒绝出售或搬迁，要求成为新塔楼的独立组成部分，其上方三分之二的空间保持开放。
• 勒梅苏里埃的创新解决方案 [0:00]
  • 建筑师休·斯塔宾斯和结构工程师比尔·勒梅苏里埃受聘围绕教堂设计这座塔楼。
  • 勒梅苏里埃提议将摩天大楼建在四个中央支柱上，而不是角柱上，以容纳下面的教堂。
  • 这种不寻常的布置对重力和风荷载都提出了重大的工程挑战。
  • 人字形支撑系统 [0:3:26]
  • 勒梅苏里埃的解决方案包括一个对角支撑系统，或人字形，沿着塔楼的每个面向上延伸。
  • 这些人字形旨在将建筑物的重力荷载传递到每个面的中间，然后向下传递到支柱。
  • 每八层楼的一半重力荷载通过这些人字形导向中间面的柱子。
  • 该系统是独一无二的，由特定的场地条件和柱子位置驱动。

风荷载如何工作 [4:44]

• 了解摩天大楼上的风力 [4:45]
  • 风吹到建筑物上会产生水平荷载。
  • 传统的角柱结构会变形，但对角支撑通过将弯曲荷载转换为钢材更强的压缩和拉伸来增强稳定性。
  • 在花旗集团的设计中，风荷载环绕整个建筑物，并在沿结构向下传递时逐渐增加。
• 制造的挑战 [6:47]
  • 人字形支撑几乎有40米长，太大而无法作为单件运输。
  • 它们分段发送并在现场焊接在一起。
• 一个意想不到的后果：建筑物摇晃 [7:11]
  • 人字形支撑在荷载传递方面效率很高，但导致结构更轻（每平方英尺22磅），使建筑物更容易在风中摇晃。
  • 这种摇晃不是结构失效的风险，但可能会导致居住者不适。

调谐质量阻尼器（TMD） [7:49]

• 减少摇晃的创新解决方案 [7:50]
  • 勒梅苏里埃引入了调谐质量阻尼器（TMD），该技术以前用于桥梁和船舶，但从未用于摩天大楼。
  • TMD的工作原理是使质量与主结构异相振荡，传递动能并通过摩擦消散它，从而抑制建筑物的摇晃。
• 花旗集团的“奶酪块”TMD [9:49]
  • 花旗集团的TMD是一个400吨的混凝土块（29英尺见方，8英尺厚），安装在顶层。
  • 它旨在将摇晃幅度降低约50％。
  • 通过减少对2,800吨额外结构钢的需求，这节省了约400万美元。
  • 无论是人字形支撑还是TMD，该建筑都被认为在结构上是安全的。

匿名学生和缺陷的发现 [11:17]

• 看似微小的变化 [11:47]
  • 1978年5月，勒梅苏里埃得知他的公司已同意使用螺栓而不是焊接来连接人字形，从而节省了25万美元。
  • 他最初认为这是可以接受的，因为螺栓本质上不比焊接差，并且垂直风下的张力被认为很低。
• 来自学生的电话 [12:43]
  • 一个月后，勒梅苏里埃接到了一个工程专业学生的电话，该学生被确认为李·德卡罗利斯（后来辩论为普林斯顿大学学生戴安·哈特利），他质疑每个面中间的柱子的结构完整性。
  • 在解释他的设计时，勒梅苏里埃考虑了建筑物在来自所有方向的风荷载下的表现，而不仅仅是垂直方向的风荷载。
• 关键的重新评估：四分之一风 [14:00]
  • 勒梅苏里埃决定仔细检查建筑物对四分之一风（撞击角落）的反应。
  • 他通过将风分解为垂直分量来计算力。
  • 他发现，与垂直风的情况相比，某些对角支撑承受的应力是原来的两倍，导致力比最初计算的高40％。
• 复合误差 [15:51]
  • 这种增加的应力是有问题的，因为为较低荷载设计的螺栓不足。
  • 最初的螺栓计算仅考虑了直线风荷载，而没有考虑四分之一风。
  • 此外，勒梅苏里埃的公司将支撑视为“次要结构元件”，通过低估重力荷载而应用了不正确的安全系数。
  • 这意味着，为了安全承受四分之一风，某些关键接头（尤其是在30层楼附近）实际上需要10到14个螺栓，而不是已安装的四个螺栓。

倒塌的几率和修复的竞赛 [18:38]

• 灾难的高概率 [18:39]
  • 勒梅苏里埃的计算表明，如果在风暴期间TMD失效，则以110公里/小时的速度吹袭的风仅持续五分钟就可能使建筑物倒塌。
  • 历史气象数据显示，在任何一年中，纽约市发生此类风暴的几率为1/16。 类似的飓风贝莉，就在一年前经过。
  • 最薄弱的接头位于30层楼，它们的失效将导致建筑物完全倒塌。
• 宁静计划：秘密修复计划 [20:31]
  • 勒梅苏里埃向建筑师和花旗集团董事长沃尔特·瑞斯顿披露了该缺陷。
  • 为TMD购买了应急发电机，现在TMD对于建筑物的稳定性至关重要。
  • 一项名为“宁静计划”（最初为“潘多拉计划”）的机密修复计划启动。
  • 焊工在夜间秘密工作，拆除干墙，将两块5厘米厚，2米长的钢板焊接到200多个关键接头的每一个上，然后在早上恢复墙壁。
  • 与红十字会制定了一项10个街区半径的疏散计划，准备在公众不知情的情况下实施，以防止大规模恐慌。
  • 应变计安装在结构构件上，从八个街区外的指挥中心进行实时监控。 在瑞斯顿的要求下，AT＆T迅速安装了必要的电话线。
• 飓风艾拉的近距离袭击 [25:40]
  • 8月下旬，飓风艾拉，一场风速为200公里/小时的4级风暴，在加勒比海酝酿并向纽约袭来。
  • 市政府官员准备疏散，但艾拉奇迹般地在最后一刻转向海上，强度增加并袭击了加拿大。
  • 维修工作于1978年10月完成，仅在勒梅苏里埃告知花旗集团六周后，使该建筑物能够承受千年一遇的风暴。

TMD占领世界和争议 [27:00]

• 勒梅苏里埃的遗产 [27:47]
  • 花旗集团的案例导致纽约建筑规范的更新，要求进行四分之一风计算。
  • 调谐质量阻尼器在世界各地的摩天大楼设计中变得无处不在，尤其是在容易发生地震或台风的地区。
  • 世界上最高的20座建筑物中有6座现在都采用了TMD，例如台北101及其660吨的摆锤。
  • 勒梅苏里埃最初受到赞扬，后来证实了他最初对“匿名学生”对话的描述。
• 未解之谜和挥之不去的感觉 [28:36]
  • “匿名学生”的确切身份仍然存在争议，普林斯顿大学的本科生戴安·哈特利和新泽西理工学院的学生李·德卡罗利斯都提出了令人信服的主张。
  • 尽管有英勇的解决方案，但许多参与者仍然对这一事件感到难过。
  • 勒梅苏里埃合伙人和波士顿地产（该建筑目前的业主，更名为601列克星敦）拒绝讨论维修事宜。
  • NIST在2021年进行的一项研究证实了四分之一风对花旗集团等建筑物的更大需求，尽管该研究未在其分析中包括花旗集团的特定内部结构。
  • 勒梅苏里埃的行为现在已成为全球工程伦理的案例研究，突显了工程师对公共安全的深刻责任。