Земля деформується, тому мегаполіси у небезпеці
Під великими глобальними містами ховається «тиха небезпека», і наші будівлі не спроектовані для цього.
Нове дослідження Північно-західного університету вперше пов’язало підземну зміну клімату зі зміною ґрунту під міськими районами. Нагріваючись, земля також деформується. Це явище призводить до надмірного зміщення фундаменту будівлі та навколишнього ґрунту (через розширення та звуження) і навіть до тріщин, що в кінцевому підсумку впливає на довгострокову експлуатаційну ефективність і довговічність конструкцій. Дослідники також повідомляють, що попередні пошкодження будівель могли бути спричинені такими підвищеннями температури, і очікують, що ці проблеми триватимуть упродовж багатьох років.
«Підземна зміна клімату — це тиха небезпека», — сказав Алессандро Ротта Лорія з Northwestern, який керував дослідженням. «Ґрунт деформується внаслідок коливань температури, і жодна теперішня цивільна споруда чи інфраструктура не спроєктована таким чином, щоб протистояти цим коливанням».
У багатьох міських районах земної кулі тепло безперервно розсіюється від будівель і підземного транспорту, спричиняючи нагрівання землі із загрозливою швидкістю. Попередні дослідники встановили, що неглибока поверхня під містами нагрівається на 0,1-2,5 градуси Цельсія за десятиліття.
Це явище, відоме як «підземна зміна клімату» або «підповерхневі теплові острови», спричиняє екологічні проблеми (наприклад, забруднення ґрунтових вод) і проблеми зі здоров’ям (зокрема, астму та тепловий удар). Але досі вплив зміни клімату під землею на цивільну інфраструктуру залишався невивченим і мало зрозумілим.
«Якщо подумати про підвали, гаражі, тунелі та потяги, усі ці об’єкти постійно випромінюють тепло», — сказав Ротта Лорія. — «Загалом у містах тепліше, ніж у сільській місцевості, тому що будівельні матеріали періодично вловлюють тепло, отримане від людської діяльності та сонячного випромінювання, а потім викидають його в атмосферу. Цей процес вивчався десятиліттями. Зараз ми розглядаємо його підземний аналог, який в основному зумовлена антропогенною діяльністю».
Останніми роками Ротта Лоріа та його команда встановили бездротову мережу з понад 150 температурних датчиків на Чиказькій петлі — як над землею, так і під землею. Це включало розміщення датчиків у підвалах будинків, тунелях метро, підземних гаражах і підземних вулицях, таких як Лоуер Вакер Драйв. Для порівняння, команда також закопала датчики в парку Грант, зеленій зоні, розташованій уздовж озера Мічиган, далі від будівель і систем підземного транспорту.
Дані бездротової мережі зондування показали, що підземні температури під Петлею часто на 10 градусів вище, ніж температури під Грант-Парк. Температура повітря в підземних спорудах може бути на 25 градусів вищою порівняно з нормальною температурою землі. Коли тепло розсіюється до землі, воно створює значне навантаження на матеріали, які розширюються та стискаються зі зміною температури.
Після збору даних про температуру протягом трьох років Ротта Лоріа побудував 3D-комп’ютерну модель, щоб змоделювати, як температура землі змінювалася з 1951 року (року, коли в Чикаго завершили будівництво тунелів метро) до сьогодні. Він знайшов значення, які відповідають виміряним у польових умовах, і використав моделювання, щоб передбачити, як зміниться температура до 2051 року.
Ротта Лорія також моделював, як земля деформується у відповідь на підвищення температури. У той час як деякі матеріали (м’яка і тверда глина) стискаються при нагріванні, інші матеріали (тверда глина, пісок і вапняк) розширюються.
Згідно з симуляціями, високі температури можуть спричинити розбухання землі та її розширення на 12 міліметрів. Вони також можуть призвести до того, що земля стиснеться й опуститься вниз під вагою будівлі на цілих 8 міліметрів. Попри те, що це здається непомітним і непомітним для людини, ця варіація є більшою, ніж можуть впоратися багато будівельних компонентів і фундаментних систем без шкоди для їх експлуатаційних вимог.
«Ґрунтуючись на нашому комп’ютерному моделюванні, ми показали, що деформація ґрунту може бути настільки сильною, що призведе до проблем з роботою цивільної інфраструктури», — сказав Ротта Лоріа. — «Це не те, що будівлі раптово заваляться, вони опускаються дуже повільно. Наслідки для працездатності конструкцій та інфраструктури можуть бути дуже поганими, але потрібно багато часу, щоб їх побачити. Дуже ймовірно, що підземні кліматичні зміни вже спричинили тріщини та надмірні осідання фундаменту, які ми не пов’язували з цим явищем, оскільки не знали про це».
Ротта Лоріа сказав, що майбутні стратегії планування повинні інтегрувати геотермальні технології для збору відпрацьованого тепла та доставлення його в будівлі для опалення приміщень. Проєктувальники також можуть встановлювати теплоізоляцію на нових і теперішніх будівлях, щоб мінімізувати кількість тепла, що потрапляє в землю.
