Wie konnte das World Trade Center einstürzen? Was technisch wirklich geschah

Am Morgen des 11. September 2001 fliegen zwei entführte Boeing 767 in die Zwillingstürme des World Trade Centers in New York. Beide Hochhäuser überstehen zunächst den gewaltigen Aufprall. Weniger als zwei Stunden später sind sie verschwunden.

Bis heute hält sich deshalb eine Frage: Wie können zwei 110-stöckige Stahlhochhäuser vollständig einstürzen, obwohl die Flugzeuge nur einen vergleichsweise kleinen Teil der Gebäude direkt getroffen hatten?

Die kurze Antwort lautet: Nicht der Einschlag allein brachte die Twin Towers zum Einsturz. Ebenso wenig schmolz das Kerosin den Stahl. Ausschlaggebend war eine ungewöhnliche Kombination aus schweren strukturellen Schäden, zerstörtem Brandschutz und großflächigen Bränden. Das National Institute of Standards and Technology (NIST) rekonstruierte diesen Ablauf über mehrere Jahre.

Und der 11. September veränderte nicht nur die Politik. Die Katastrophe hatte auch Folgen für den Hochhausbau und für internationale Bau- und Brandschutzregeln.

11. September 2001: 56 und 102 Minuten bis zum Einsturz

Um 8:46 Uhr Ortszeit trifft American-Airlines-Flug 11 den Nordturm zwischen dem 93. und 99. Stockwerk. Um 9:03 Uhr schlägt United-Airlines-Flug 175 in den Südturm ein, dort zwischen dem 77. und 85. Stockwerk.

Der Südturm steht danach noch 56 Minuten. Um 9:59 Uhr stürzt er ein. Der Nordturm folgt um 10:28 Uhr – 102 Minuten nach dem Einschlag.

Bei den Anschlägen vom 11. September sterben insgesamt 2.977 Menschen in New York, am Pentagon und an Bord von Flug 93 in Pennsylvania.

Dass die Hochhäuser die Flugzeugeinschläge zunächst überstanden, ist bemerkenswert. Ihr Tragwerk konnte erhebliche Schäden aufnehmen und Lasten auf andere Bauteile umlagern. Das eigentliche Problem begann danach.

Wie waren die Twin Towers konstruiert?

Die beiden Türme waren Ende der 1960er- und Anfang der 1970er-Jahre für ihre Zeit außergewöhnliche Bauwerke. Statt eines klassischen schweren Stahlskeletts besaßen sie ein Tragwerk aus einem massiven Gebäudekern und einer dicht gestellten äußeren Stahlstruktur.

Die Außenfassade bestand aus zahlreichen schlanken Stahlstützen. Zusammen bildeten sie eine steife Röhre. Im Inneren befand sich ein Kern mit weiteren Stahlstützen, Aufzügen und Treppenhäusern.

Zwischen Kern und Außenwand spannten leichte Stahlfachwerkträger. Darauf lagen vergleichsweise dünne Betondecken.

Dieses System hatte einen großen Vorteil: Zwischen Kern und Fassade waren kaum Stützen notwendig. Dadurch entstanden große, flexibel nutzbare Büroflächen.

Die leichte Konstruktion bedeutete allerdings auch, dass viele Stahlteile durch aufgespritzte Brandschutzmaterialien vor hohen Temperaturen geschützt werden mussten.

Waren die Türme für einen Flugzeugeinschlag ausgelegt?

Immer wieder ist zu lesen, die Konstrukteure hätten sogar den Einschlag einer Boeing 707 berücksichtigt. Das stimmt nur mit einer wichtigen Einschränkung.

NIST fand ein Dokument der damaligen Hafenbehörde Port Authority, nach dem ein solcher Einschlag während der Planung tatsächlich untersucht worden war. Die ursprünglichen Berechnungen und Annahmen ließen sich Jahrzehnte später jedoch nicht mehr auffinden.

Deshalb lässt sich nicht seriös behaupten, die Türme seien umfassend für ein Ereignis wie den 11. September ausgelegt gewesen.

Hinzu kommt: In den 1960er-Jahren gab es weder die heutigen Computersimulationen für Flugzeugeinschläge noch Modelle, mit denen sich die anschließende Ausbreitung mehrgeschossiger Brände und deren Wirkung auf das gesamte Tragwerk realistisch berechnen ließ.

Was der Einschlag mit dem Tragwerk machte

Eine Boeing 767 wiegt voll beladen weit über 100 t. Die Maschinen trafen die Gebäude mit hoher Geschwindigkeit. Beim Einschlag wurden zahlreiche Außen- und Kernstützen beschädigt oder durchtrennt. Decken wurden zerstört, Versorgungsschächte aufgerissen und Verbindungen beschädigt. Trotzdem blieben beide Türme zunächst stehen.

Das Tragwerk konnte einen Teil der Lasten von zerstörten auf noch intakte Stützen umverteilen. Genau diese Fähigkeit verhinderte einen unmittelbaren Einsturz.

Doch gleichzeitig geschah etwas, das für den weiteren Verlauf mindestens ebenso wichtig war: Durch den Aufprall wurde an vielen Stahlbauteilen die Brandschutzbeschichtung beschädigt oder vollständig abgeschlagen. Damit lag Stahl teilweise ungeschützt in den Brandzonen.

Das Kerosin musste den Stahl nicht schmelzen

Eine der bekanntesten Fragen rund um den Einsturz lautet: Wie konnte Feuer Stahl zum Versagen bringen, wenn dessen Schmelztemperatur bei rund 1.500 °C liegt? Die Antwort ist einfach: Stahl muss nicht schmelzen, um seine Tragfähigkeit zu verlieren.

NIST rekonstruierte in den Türmen örtliche Temperaturen der heißen Rauchgasschichten von bis zu etwa 1.000 °C. Bei solchen Temperaturen verändert Stahl seine mechanischen Eigenschaften erheblich. Er verliert Festigkeit und Steifigkeit.

Bei 1.000 °C besitzt ungeschützter Stahl nach Angaben von NIST nur noch ungefähr zehn Prozent seiner Festigkeit bei Raumtemperatur.

Das Kerosin war dabei hauptsächlich der Brandbeschleuniger. Ein Teil verbrannte unmittelbar nach dem Einschlag in den weithin sichtbaren Feuerbällen. Der übrige Treibstoff entzündete große Mengen an brennbarem Material in den Büros.

Danach brannten vor allem Möbel, Papier, Kunststoffe und andere Büroausstattung weiter. Wie wichtig nicht nur die Brennbarkeit von Materialien, sondern auch der Feuerwiderstand kompletter Bauteile ist, zeigt unser Überblick zum Brandschutz bei Gebäuden.

Durchhängende Decken zogen die Fassade nach innen

Nach den NIST-Untersuchungen entwickelte sich in den Brandgeschossen ein folgenschwerer Mechanismus. Die stark erhitzten Deckenträger verformten sich. Sie hingen zunehmend durch, blieben jedoch teilweise mit der Außenstruktur verbunden. Dadurch zogen sie an den Fassadenstützen.

Auf Fotos und Videos lässt sich kurz vor den Einstürzen erkennen, wie sich größere Bereiche der Außenfassaden nach innen bogen. NIST bezeichnet diesen Vorgang als „inward bowing“. Schließlich konnten einzelne Fassadenseiten die Last nicht mehr tragen.

Stützen knickten ein. Damit verlor das Tragwerk in der beschädigten Zone seine Stabilität. Der obere Teil des jeweiligen Turms begann sich nach unten zu bewegen. Das war der Punkt, an dem sich der Einsturz nicht mehr aufhalten ließ.

Warum der Südturm zuerst einstürzte

Dass der Südturm zuerst fiel, obwohl er 17 Minuten später getroffen wurde, wirkt zunächst widersprüchlich. Der entscheidende Unterschied lag in der Position des Einschlags. Flug 175 traf WTC 2 deutlich tiefer als Flug 11 den Nordturm. Oberhalb der Zone, in der sich der Kollaps entwickelte, lagen beim Südturm deshalb etwa 29 Stockwerke. Beim Nordturm waren es ungefähr zwölf.

Hinzu kamen unterschiedliche Einschlagwinkel, Schäden und Brandverläufe. Damit musste die bereits geschwächte Struktur des Südturms eine wesentlich größere Gebäudemasse oberhalb der Schadenszone tragen. Nach 56 Minuten erreichte sie den Punkt, an dem das Tragwerk diese Last nicht mehr aufnehmen konnte.

Warum danach der gesamte Turm nach unten kam

Oft wird der Einsturz als eine Art Dominokette beschrieben: Ein Stockwerk fällt auf das nächste, dieses auf das folgende und so weiter. Ganz so einfach war es nicht.

NIST unterscheidet zwischen dem Beginn des Kollapses und seiner anschließenden Ausbreitung. Die berühmte sogenannte Pancake-Theorie, nach der zunächst reihenweise allein die Verbindungen der Geschossdecken versagten, erklärt den Beginn des Einsturzes nicht.

Stattdessen versagten durch die Kombination aus Einschlagschäden, Feuer und Verformungen tragende Bereiche der Konstruktion. Danach setzte sich die große Gebäudemasse oberhalb dieser Zone nach unten in Bewegung.

Nun änderten sich die Kräfte grundlegend. Eine intakte Etage war für die normalen statischen Lasten eines Hochhauses ausgelegt – nicht dafür, den plötzlich auftreffenden oberen Teil eines Wolkenkratzers abzubremsen.

NIST berechnete, dass die dabei frei werdende Energie die Aufnahmefähigkeit des darunterliegenden Tragwerks weit überstieg. Sobald die obere Gebäudemasse fiel, konnte die noch stehende Struktur den Kollaps deshalb nicht mehr stoppen.

War der Einsturz ein freier Fall?

Auch die Geschwindigkeit der Einstürze wird häufig diskutiert. Für die Twin Towers gibt es darauf keine sinnvolle Antwort in Form von „Freifall oder kein Freifall“. Die Gebäude zerfielen während des Absturzes. Fassadenteile, Kernbereiche, Decken und Trümmer bewegten sich nicht alle gleich schnell.

NIST errechnete für die ersten Außenbauteile, die nach Beginn des Einsturzes den Boden erreichten, rund elf Sekunden beim Nordturm und neun Sekunden beim Südturm.

Entscheidend für die technische Erklärung ist etwas anderes: Die darunterliegenden Geschosse erzeugten nicht genügend Widerstand, um die enorme fallende Masse abzubremsen und den Kollaps aufzuhalten.

WTC 7: Warum stürzte ein Gebäude ohne Flugzeugeinschlag ein?

Am Nachmittag des 11. September geschah noch etwas, das bis heute Diskussionen auslöst. Um etwa 17:20 Uhr brach das 47-stöckige World Trade Center 7 zusammen. Kein Flugzeug hatte das Gebäude getroffen.

Allerdings war WTC 7 beim Einsturz des Nordturms von Trümmern getroffen und beschädigt worden. Auf mehreren Etagen entstanden Brände. Ein besonders großes Problem: Teile der Sprinkleranlage konnten wegen Schäden an der Wasserversorgung nicht mehr ausreichend arbeiten. Die Feuer brannten daher über Stunden unkontrolliert.

Nach der Rekonstruktion von NIST dehnten sich durch die Hitze Stahlträger und Deckenkonstruktionen aus. In einem kritischen Bereich führte diese thermische Ausdehnung zum Versagen von Verbindungen und Geschossen. Schließlich verlor die zentrale Stütze 79 ihre seitliche Abstützung und versagte.

Von dort breitete sich das Versagen durch das Gebäude aus. Zunächst brach die innere Struktur zusammen, anschließend knickten die Außenstützen. NIST bezeichnet den Einsturz von WTC 7 ausdrücklich als brandinduzierten progressiven Kollaps.

Gab es bei WTC 7 eine Freifallphase?

Ja. Videoanalysen von NIST ergaben bei der sichtbaren Bewegung der Nordfassade drei Phasen. Während eines Abschnitts von ungefähr 2,25 Sekunden beschleunigte die Fassade mit annähernd Erdbeschleunigung. Sie befand sich damit kurzzeitig tatsächlich im freien Fall.

Wurde nach Sprengstoff gesucht?

Das widerspricht dem von NIST berechneten Einsturzmechanismus nicht. Zu diesem Zeitpunkt war die innere Tragstruktur in diesem Gebäudebereich bereits weitgehend zusammengebrochen. Die Außenfassade besaß deshalb für kurze Zeit praktisch keine tragende Unterstützung mehr. Vor und nach dieser Phase war die Beschleunigung geringer. und Kommunikation verbessern. Für hohe Gebäude ist das heute international in Regeln eingeflossen.

Auch hier lohnt sich eine genaue Formulierung. NIST fand in Videos, Tonaufnahmen, seismischen Daten und den beobachteten Schadensabläufen keine Hinweise darauf, dass Sprengladungen die Einstürze der Twin Towers ausgelöst hätten.

Allerdings untersuchte NIST die geborgenen Stahlteile der Zwillingstürme nicht chemisch auf Rückstände von Sprengstoffen oder Thermit. Die Aussage „Es wurden keine Sprengstoffspuren gefunden“ wäre daher irreführend.

Die Schlussfolgerung gegen eine kontrollierte Sprengung beruht vielmehr auf dem beobachteten Beginn des Kollapses in den Brand- und Einschlagzonen, den zuvor sichtbaren Verformungen sowie fehlenden Hinweisen auf entsprechende Explosionen.

Auch beim Einsturz von WTC 7 untersuchte NIST die Möglichkeit einer Explosion. Die Behörde kam zu dem Ergebnis, dass keine entsprechenden Explosionen stattgefunden hatten. Unter anderem fehlten die dafür zu erwartenden extrem lauten Detonationsgeräusche.

Warum konnten so viele Menschen nicht entkommen?

Der Einschlag zerstörte nicht nur das Tragwerk. Im Nordturm wurden alle Fluchtwege durch die Einschlagzone unterbrochen. Menschen oberhalb dieses Bereichs konnten das Gebäude nicht mehr über die Treppen verlassen. Im Südturm blieb dagegen eine Treppenverbindung durch die beschädigte Zone passierbar. Einige Menschen oberhalb der Einschlagstelle konnten dadurch entkommen.

Auch Kommunikation und Einsatzführung erwiesen sich als problematisch. Funkverbindungen funktionierten teilweise nicht zuverlässig, während Feuerwehr, Polizei und andere Organisationen parallel arbeiteten. Diese Erkenntnisse beeinflussten später unter anderem Vorgaben für Evakuierungswege, Kommunikation und Rettungskräfte.

Was hat sich beim Hochhausbau seit 9/11 geändert?

Die Untersuchung des World Trade Centers hatte konkrete Auswirkungen auf Bauvorschriften.

NIST formulierte nach seinen Untersuchungen zahlreiche Empfehlungen. Sie betrafen unter anderem:

• robustere Tragwerke,
• widerstandsfähigeren Brandschutz von Stahlbauteilen,
• breitere und zusätzliche Fluchttreppen,
• bessere Evakuierungsmöglichkeiten,
• geeignete Aufzüge für Notfälle und Rettungskräfte,
• bessere Funkversorgung innerhalb großer Gebäude,
• Konstruktionen, die lokale Schäden aufnehmen können, ohne dass daraus ein unverhältnismäßig großer Kollaps entsteht.

Nach Angaben von NIST wurden allein in den Ausgaben 2009 und 2012 der amerikanischen I-Codes insgesamt 40 Änderungen umgesetzt, die mit den Empfehlungen aus der WTC-Untersuchung zusammenhängen. Hinzu kamen Änderungen bei den Brandschutzstandards der National Fire Protection Association.

Für ingenieur.de habe ich darüber ausführlich geschrieben: 9/11 veränderte den Hochhausbau, aber anders, als viele denken

Neuer Standard in den USA

Ein weiterer Schritt folgte 2023: Die American Society of Civil Engineers veröffentlichte mit ASCE/SEI 76-23 erstmals einen nationalen US-Standard speziell zur Begrenzung des Risikos unverhältnismäßiger Gebäudeeinstürze.

Dabei geht es nicht darum, jedes Gebäude gegen einen Terroranschlag mit einem Verkehrsflugzeug auszulegen. Das wäre weder technisch noch wirtschaftlich sinnvoll.

Das Ziel lautet vielmehr: Wenn ein unerwartetes Ereignis einen kleinen Teil eines Tragwerks zerstört, darf dieser lokale Schaden möglichst nicht zum Zusammenbruch großer Teile des Gebäudes führen.

In Deutschland zeigen bereits die Gebäudeklassen und Sonderbauvorschriften, dass die Anforderungen mit Größe und Nutzung eines Gebäudes steigen. Hochhäuser gehören zu den Sonderbauten und unterliegen entsprechend weitergehenden Vorgaben.

Wie anders moderne Hochhäuser heute konstruiert und berechnet werden können, zeigt beispielsweise der 302 m hohe Wasl Tower in Dubai.

Was brachte die Twin Towers also tatsächlich zum Einsturz?

Es gab nicht den einen Auslöser. Die Flugzeuge zerstörten Stützen und andere Bauteile. Gleichzeitig rissen sie Brandschutzmaterial von großen Bereichen der Stahlkonstruktion.

Die anschließenden mehrgeschossigen Brände erhitzten die ungeschützten Bauteile. Decken und Träger verformten sich und zogen an der Außenstruktur. Fassadenstützen bogen sich nach innen und versagten schließlich.

Als sich die oberen Gebäudeteile in Bewegung setzten, war die dadurch frei werdende Energie zu groß, als dass die darunterliegende Konstruktion den Kollaps noch hätte stoppen können.