地面变形,和建筑没有准备好

有一个“沉默的危险”潜伏在我们的全球主要城市,和我们的建筑并不是设计来处理它。

西北大学的一项新研究,首次地下气候变化有关的地下城市转移。随着地面升温,也变形。这种现象会导致建筑基础和周围的地面移动过度(由于扩张和收缩)甚至裂缝,最终影响了结构的长期运营性能和耐久性。研究人员还报告说,过去的建筑损坏可能是由于气温升高和期望等这些问题持续多年来。

虽然气温上升威胁到我们的基础设施,研究人员还把它作为一个潜在的机会。通过捕获废热排放从地下交通系统,地下车库和地下室设施,城市规划者可以减轻地下气候变化的影响,以及热转化为一个尚未开发的热能资源重用。

的研究发表7月11日在通信工程、自然组合杂志。这是第一个研究量化引起的地面变形对民用基础设施地下热岛效应及其影响。

“地下气候变化是一个沉默的危险,”西北大学的说亚历桑德罗·罗达洛里亚领导这项研究。“地面变形由于温度变化,也没有现有土木结构或基础设施是为了抵御这些变化。虽然这种现象不一定危害人们的安全,它会影响基金会的正常日常操作系统和民用基础设施。”

罗达洛里亚是西北大学土木与环境工程助理教授麦考密克工程学院。

“芝加哥粘土可以加热后合同,像其他许多细粒度的土壤,”他说。“由于地下温度上升,许多基金会正在市中心不必要的结算,缓慢而持续。换句话说,你不需要住在威尼斯住在一个城市下沉——即使这种现象的原因是完全不同的。”

地下气候变化是什么?

在许多城市地区在全球范围内,热从建筑物和地下交通不断扩散,造成地面温暖以惊人的速度。先前的研究人员发现,下面的浅地下城市温暖每十年0.1到2.5摄氏度。

气候变化被称为“地下”或“地下热岛”,这一现象已经导致生态问题(如污染地下水)和健康问题(包括哮喘和中暑)。但是,直到现在,地下的影响气候变化对民用基础设施依然优雅的和知之甚少。

“如果你考虑地下室、停车场、隧道和列车,所有这些设施不断释放热量,”罗达洛里亚说。“一般来说,城市比农村地区温暖因为建筑材料定期吸收热量来源于人类活动和太阳辐射,然后释放到大气中。这个过程已经研究了几十年。现在,我们看它的地下,这主要是由人为活动。”

芝加哥是一个活生生的实验室

近年来,机械的洛里亚和他的团队安装了无线网络超过150在芝加哥循环-温度传感器上方和下方的地面。这包括将传感器放置在建筑物的地下室、地铁隧道、地下车库、地下街道像低瓦克开车。相比之下,该小组还埋传感器在格兰特公园,数目一个绿色位于密歇根湖,远离建筑物和地下交通系统。

无线传感网络的数据表明,地下温度循环下往往比气温10摄氏度在格兰特公园。气温在地下结构可达到25摄氏度比未扰动地面温度高。热扩散向地面时,它将产生严重的压力材料扩张和收缩与温度的变化。

“我们芝加哥作为一个活生生的实验室,但地下气候变化是全球几乎所有常见密集的城市地区,”罗达洛里亚说。”和地下城市遭受气候变化都容易有问题的基础设施。”

慢慢地“沉没”

收集温度数据后三年,罗达洛里亚建造了一个3 d电脑模型来模拟地面温度从1951(今年芝加哥完成了地铁隧道)。他发现价值观一致的测量,利用模拟预测温度将如何演变,直到2051年。

罗达洛里亚也模仿地面变形,以应对不断上升的温度。而一些材料(软、硬粘土)合同加热时,其他材料(硬粘土、砂和石灰岩)扩大。

根据模拟,温度会导致地面向上膨胀和扩大了12毫米。他们也可能导致地面收缩和水槽向下-下一个建筑的重量高达8毫米。尽管这似乎微妙和人类察觉不到的,变化是比许多建筑组件和基础系统可以处理不影响他们的作战需求。

“基于我们的计算机模拟,我们已经表明,地面变形可以如此严重,以致导致民用基础设施的性能问题,”罗达洛里亚说。“这不是像一个建筑会突然崩溃。事情慢慢地下沉。对结构的使用可靠性和基础设施的影响非常坏,但这需要很长时间才能看到它们。地下很可能是气候变化已经造成裂缝和过度基金会定居点,我们没有与这种现象,因为我们没有意识到它。”

收集和重用——余热

因为城市规划师和建筑师的设计大多数现代建筑在地下气候变化出现之前,他们没有设计结构容忍我们今天所经历的温度变化。然而,现代建筑从更早的时间会比结构,如中世纪。

“在美国,建筑都是相对较新的,“罗达洛里亚说。“欧洲的城市非常旧建筑将更容易受到地下气候变化。建筑的石头和砖求助于过去的设计和施工实践通常是在一个非常微妙的平衡扰动与当前操作的城市。热扰动与地下热岛可以为此类结构产生不利的影响。”

展望未来,生搬硬套洛里亚说,未来的规划策略应该整合地热技术收获废热并交付到建筑空间供暖。规划者也可以安装新的和现有建筑保温的热量降到最低,进入地面。

“最有效和理性的方法是孤立的地下结构的方式浪费的热量最少,”罗达洛里亚说。“如果不能做到这一点,那么地热技术提供了机会,有效地吸收和重用建筑物中的热量。我们不希望是使用技术积极冷静地下结构因为使用的能量。目前,有大量的可以实现的解决方案。”

研究中,“沉默的影响气候变化对民用基础设施、地下”是由美国国家科学基金会(批准号2046586)。无线传感网络在这个工作的基础,也作为一个活生生的实验室,在一个课程教机械的洛里亚,部分支持的墨菲社会和西北大学的女毕业生。

参考:机械的洛里亚房颤。地下的沉默影响气候变化对民用基础设施。Commun英格。2023;2 (1):44。doi:10.1038 / s44172 - 023 - 00092 - 1

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