サンフランシスコの新バスターミナルを「マイクロクラック」が蝕んだ

サンフランシスコの真新しいバスターミナルの天井パネルの上を点検していたメンテナンス作業員が、亀裂を発見した。正直言って、見逃すことは難しかった。建物の屋根を支える梁に30センチほどの亀裂が入っていたら、大惨事を招く可能性もあった。22億ドルかけて建設されたトランスベイ・ターミナルは、3ブロックにまたがり、1日10万人の乗客を運び、市と州を未来の交通へと導くことが期待されていたが、その背骨は折れていた。

長らく遅れていたターミナルは、開業から約6週間後に閉鎖されました。2018年9月下旬、北はマリン郡、東はバークレーとオークランド、南は半島まで、11の地域交通システムのバスが、70年の歴史を持つ旧ターミナルが2010年に閉鎖されて以来使用していた、駐車場のような機能的な仮設施設に迂回しました。新ターミナルの建設を担当した関係機関は、何が起こったのか、そしてどう対処すべきかを把握しようと動き出しました。

今週末、バスと乗客がようやくトランスベイ・ターミナルに再び乗り入れる。責任の所在はいずれ明らかになるだろう。トランスベイ共同権限局、設計者、そして複数の請負業者が互いに訴訟を起こす可能性が高い。しかし、誰が犯人かという謎よりも、どのように犯人になったのか、何が犯人になったのかという謎のほうが興味深いかもしれない。検査でさらに多くの亀裂が発見された。その原因を解明するには、原子の直径から街路の幅に至るまで、様々なスケールの鑑識が必要となる。調査には物理学、冶金学、そして鋼鉄の結晶強度といった分野が関わった。最終的に、科学捜査チームによってサンフランシスコで最も重要なインフラの一つが復旧するまで、わずか11ヶ月もかからない。

トランスベイ・ターミナルは広大で、屋上公園と地下の「箱」のような空間を含む100万平方フィート（約90万平方メートル）の敷地を有し、将来的にはカリフォルニア州で開発が進む高速鉄道システムを含む列車が発着することになるだろう。波打つ白い金属メッシュで覆われたこの建物は、まるでサイボーグ怪獣のウナギがダウンタウンの高層ビル群の間を泳ぎ回るかのように東西に伸び、ファースト・ストリートとフリーモント・ストリートという二つの賑やかな大通りを繋いでいる。

問題はこれらの通りのスパンにありました。というか、1スパンでした。フリーモント通りとファースト通りはどちらも、長さ60フィート（約18メートル）、幅3フィート（約90センチ）、中央部の高さ8フィート（約2.4メートル）の先細りのI型梁からなる2本の主桁で橋が架けられていました。最初の亀裂はフリーモント通りの桁の1本に発生し、すぐに検査で同じ桁の反対側にも亀裂が見つかり、さらにフリーモント通りの別の桁にも亀裂が見つかりました。しかし、ファースト通りの桁は（明らかに同じ設計と材料でできていた）問題ありませんでした。謎は深まりました。

ちょうどその時、ロバート・ヴェッキオ氏が電話を受けた。ニューヨークに拠点を置くLPIの最高経営責任者であるヴェッキオ氏は、破壊力学と疲労を専門とする博士号を持つエンジニアで、エクソン・バルディーズ号の事故、1993年と2001年のワールドトレードセンタービルへのテロ攻撃、そしてミネアポリスの州間高速道路35号線の崩壊などを調査してきた。つまり、彼はこうした事態にはある程度慣れているのだ。「おそらく翌日か翌々日に飛行機に飛び乗ってサンフランシスコに向かいました」とヴェッキオ氏は言う。「壊滅的な事故が起きていないと聞いて安心しました」。言い換えれば、建物が倒壊する前に電話がかかってきたというのは、まさに安心できる出来事だった。

ヴェッキオは1日も経たないうちに、トランスベイ・エージェンシーのエンジニアたち、そして構造担当エンジニアのソーントン・トマセッティと共に天井に上がった。彼らは協力し、両スパンを支える巨大な油圧リフトの設置方法を編み出した。これで作業に取り掛かれる。

最初のステップは、ひび割れ周辺の鋼材を除去することだった。桁は下部フランジ、つまりI字型の底部にある厚さ4インチの水平板に沿って破損していた。技術者たちは桁に登り、酸化ダイヤモンドをちりばめたケーブルソーでひび割れた破片をゆっくりと切除した。「熱を加えず、証拠を損なわずに切断することができたのです」と、ターミナル建設に携わった別の企業、ヘリック社で働く土木技師で鋼材破損の専門家、カール・フランク氏は語る。「破片はそれほど大きくありませんでした。箱詰めしてトラックでニューヨークまで輸送することができました」

そこはLPIの研究所がある場所です。次のステップは、その鋼材全体を顕微鏡で観察することでした。具体的には、LPIと他の研究者たちは亀裂の表面を観察したかったのです。そして、彼らが発見したものは、当初は意味不明なものでした。

「破断した桁は、その下に柱が倒れているように見えたので、そこで破断するはずがないと思いました」とフランクは言う。柱があれば荷重を支え、ひび割れを防げたはずだ。「しかし、私たちが見ていたのは上半分だけでした」。結局、それは柱ではなく、ハンガー、つまり下からぶら下がっている別の金属片だった。T字型を想像してみてほしい。水平方向がスパンとなる桁、垂直方向がハンガーだ。スパンは天井で、その上にある屋上公園を支えていた。ハンガーはバスデッキ、つまりターミナルのメインフロアの床を支えていた。

（このデザインの特徴がどれほど奇妙だったかは議論の余地がある。フランク氏は「非常に珍しい」と表現し、ベッキオ氏は「ハンガーはあらゆるシステムのデザインに使われている」と述べている。建築家のペリ・クラーク・ペリ社はコメント要請に応じなかった。）

ハンガーを桁に取り付けるため、設計では下部フランジに4インチ×2インチの穴を開け、ハンガーを差し込んで溶接する必要がありました。さらに、「溶接アクセス」または「溶接終端」用の2インチ×2インチの穴を2つ開けることも求められていました。これらの穴の名称、誰が依頼したか、設計で指定されたのか後から補修が必要だったのか、その他多くの疑問点が、複数の請負業者によって、他の請負業者の責任を問うために利用されるため、訴訟において重要になります。

いずれにせよ、建設工程では、フランジの最も強度が必要な部分から8インチ（約20cm）を削り取る必要がありました。「問題は溶接アクセスホールの形状でした」とフランク氏は言います。「角があり、それが応力集中の原因になっているのです。」

穴は円形ではなく、角が丸い長方形でした。そして、おそらくプラズマカッターで切り出されたと思われる角には、わずか数百分の1インチの深さの「マイクロクラック」が発生しました。調査員たちは、クラックの表面が色のついた堆積物で覆われていたことから、高温にさらされたことによってのみ生じた酸化物であることが判明し、高温で切り出されたものと確信しています。「実際に見ることができます」とベッキオ氏は言います。「通常の鉄の錆びはオレンジ色に近いのですが、非常に濃い赤色です。」

ポップインが骨折になる

建設作業員なら、あの角にグラインダーを使ってひび割れを磨くこともできたはずだ。しかし、誰もそうしなかった。そして溶接が始まった。「溶接とは、鋼鉄を作ることです。母材である電極を溶かし、液体にした金属を冷やして固めなければなりません」とフランクは言う。「固まると、鋼鉄は収縮するのです」

少なくとも、金属はそうしたいのです。しかし、金属が固まると、収縮できない表面にくっついてしまいます。溶接部は周囲の金属を引っ張ります。そこで、この余分な応力が微小亀裂に張力をかけ、長さ約2.5cm、深さ約9cmの「ポップイン亀裂」を作り出します。「これは、突然現れて、すぐに止まる亀裂です」とフランク氏は言います。

これらのポップイン音は、大規模な破損へと発展しました。片方の桁では、応力が大きすぎてフランジの両側が破損しました。「大きな音、大きな衝撃でした。大量のエネルギーが放出されました」とフランク氏は言います。もう片方の桁では、フランジの片側が破損したものの、もう片側は無傷のままで、実質的に上の屋根の荷重全体を支えていました。約2.5cmほど下がったのです。

鋼鉄は通常、このようには壊れません。破損すると、通常は変形します。鋼鉄は一見堅固に見えますが、実際には延性があり、ワイヤーを曲げたときのように、ある程度押しつぶされるような性質を持っています。今回のケースでは、ポップインクラックが発生した後、クラックが少し動いたように見え、その後裂けて開きました。その後、この裂け目は脆性破壊と呼ばれる状態になり、ベッキオ氏は走査型電子顕微鏡を用いて、金属を構成する結晶の表面に沿ってこの破壊を確認できたと述べています。脆性破壊は通常、広がるのにほとんどエネルギーを必要としません。一度始まると、そのまま進み続けます。

何か（この場合は鋼鉄）がひび割れを起こした後も破壊に抵抗する能力を破壊靭性といいます。これはシャルピー衝撃試験と呼ばれるもので、基本的には金属を非常に正確に叩きつけて破壊させる試験です。仕様書によると、トランスベイ・ターミナルの鋼鉄は室温で破壊するまでに20フィートポンドのエネルギーを吸収するはずでした。実際、その通りになりましたが、LPIによる試験では、鋼鉄内部の深部では靭性が低いことが示されました。フランク氏によると、ポップインクラックが発生したのはそこだったそうです。

トランスベイ橋の桁に使用されていた鋼材は、明らかに他の条件に耐えられるほどの破壊靭性を備えていなかった。もしトランスベイ橋の桁に使用されていた鋼材の等級がもっと高ければ、「おそらく破断は起こらなかっただろう」とベッキオ氏は言う。「しかし逆に、あのポップインクラックがなかったら、破断は起こらなかった可能性が高い」。テキサス大学の構造エンジニアで、オークランド市長とサンフランシスコ市長が招集した独立査読委員会の委員長を務めるマイケル・エンゲルハート氏は、溶接、穴、そしてハンガーに接触するまでは、その鋼材は建築基準法のすべての仕様を満たしていたと述べている。

フリーモント通りの桁がひび割れ、ファースト通りの桁がひび割れなかった理由も、このことが説明できるかもしれない。「違いは建設の順序でした」とエンゲルハート氏は言う。「ファースト通りでは、まず溶接を行い、その後に穴を開けました。フリーモント通りでは、まず穴を開けました。これが決定的な違いだったのです。」

繰り返しになりますが、誰がその決定を下し、実際に誰が実行したかは、今後の課題です。しかし、結局のところ、ファーストストリートのハンガーが溶接された時点では、スパンにはまだ穴が開いていなかったため、マイクロクラックは発生していませんでした。そのため、溶接部の応力によるポップインは発生せず、脆性破壊も発生しませんでした。「これは、ほとんどすべての重大な破損に当てはまります」とベッキオ氏は言います。「通常、原因は一つではありません。このような事態が発生するには、二つ、三つ、あるいは四つの要因が重なるのです。」

ということは、皆がそうだったと認めているということでしょうか？建築家、建設業者、調査員？「概ね皆、それがどのように起こったかについては同意していました」とベッキオ氏は言う。

解決策を考案する

すると、さらに大きな疑問が浮かび上がった。どうすれば解決できるのか？建設作業員が鉄骨の高いところで昼食をとるという伝統的な慣習に従い、調査員たちは最終的にサンドイッチを食べることにした。

「かなり簡単でした」とエンゲルハートは言う。フリーモント橋の橋桁は、証拠として切り取られた大きな部分が欠落していた。当初の設計通りの重量に耐えられるよう、修復する必要があった。ファーストストリートの橋桁は問題なかったものの、フリーモント橋の橋を修理したのなら、ファーストストリートの橋も同じように修理すべきだと全員が同意した。「なぜリスクを冒す必要があるのか？」とエンゲルハートは言う。

しかし今回は、より高性能な耐候性鋼を使用することになりました。「橋梁用として指定されている鋼で、海軍が船舶に使用しているものです」とフランク氏は言います。「たまたま東海岸の加工工場で入手できたので、見つけ出すことができました。」

建設業者は4本の桁すべての下フランジの上下にプレートを設置し、224本の太いボルトで固定した。「ボルト穴は滑らかで美しい」とエンゲルハート氏は言う。「そのため、切断のように表面が荒れることもなく、収縮も起こりません」。言い換えれば、ひび割れの原因となる問題を回避できるのだ。

とはいえ、簡単だったわけではありません。ペンシルベニア州の工場で新しいプレートの穴あけは済ませていましたが、トランスベイでの穴あけはより困難でした。製作者は特殊な強力なドイツ製ドリルを天井まで持ち上げ、下の道路に落ちないようにしっかりと支え、プレートの穴の位置と正確に一致するように穴の位置を測る必要がありました。

しかし、この方法は功を奏し、フランジを当初の設計よりも大幅に厚くすることで、全体的な強度が向上しました。「もし他の亀裂が潜在的に存在していても、桁が適切に機能することを確認するために、使用適性度に関する計算を何度も行いました」とベッキオ氏は言います。ターミナルはついに、人々とバスを再び受け入れる準備が整いました。

トランスベイターミナルは、サンフランシスコだけでなくカリフォルニア全体の計画の中心となるはずでした。それは、自家用車ではなく公共交通機関によって支えられる、より高密度で都市的な都市を支える計画です。ターミナル周辺の広場や、ターミナル内および近隣のレストランやショップは、この地区をサンフランシスコの他のほとんどの場所よりも都市らしくするはずです。ターミナルの閉鎖は、サンフランシスコオークランドベイブリッジの新区間の鉄骨工事と建設、および近くの超高層住宅ビルが文字通り片側に傾いたことに対する懸念を受けて行われました。そのため、ターミナルが建物が果たすべき最も基本的なこと、つまり倒れずに立つことを果たせなかったことは、特に恥ずべきことです。都市はより多くの都市を建設し、そこで暮らし働く人々によりよく役立つインフラを整備できるはずです。トランスベイターミナルでは、それがすべて崩壊しかけました。

更新、2019年12月12日午後5時15分（東部標準時）：この記事の以前のバージョンでは、Thornton Tomasetti を建設請負業者と誤って記載していました。

WIREDのその他の素晴らしい記事