Hay un « peligro silencioso » que acecha debajo de nuestras principales ciudades globales, y nuestros edificios no fueron diseñados para manejarlo.
Un nuevo estudio de la Universidad de Northwestern ha vinculado, por primera vez, el cambio climático subterráneo con el suelo cambiante debajo de las áreas urbanas. A medida que el suelo se calienta, también se deforma. Este fenómeno hace que los cimientos de los edificios y el suelo circundante se muevan excesivamente (debido a expansiones y contracciones) e incluso se agrieten, lo que en última instancia afecta el rendimiento operativo y la durabilidad a largo plazo de las estructuras. Los investigadores también informan que los daños a edificios en el pasado pueden haber sido causados por temperaturas tan altas y esperan que estos problemas continúen en los años venideros.
Aunque el aumento de las temperaturas representa una amenaza para nuestra infraestructura, los investigadores también lo ven como una oportunidad potencial. Al capturar el calor residual emitido bajo tierra por los sistemas de transporte subterráneo, los estacionamientos y las instalaciones del sótano, los planificadores urbanos podrían mitigar los efectos del cambio climático subterráneo y reutilizar el calor en un recurso de energía térmica sin explotar.
El estudio se publicará el 11 de julio en Communications Engineering, una revista de Nature Portfolio. Marca el primer estudio para cuantificar las deformaciones del suelo causadas por las islas de calor del subsuelo y su efecto en la infraestructura civil.
« El cambio climático subterráneo es un peligro silencioso », dijo Alessandro Rotta Loria de Northwestern, quien dirigió el estudio. “El suelo se está deformando como resultado de las variaciones de temperatura, y ninguna estructura o infraestructura civil existente está diseñada para soportar estas variaciones. Si bien este fenómeno no es necesariamente peligroso para la seguridad de las personas, afectará las operaciones normales del día a día de la fundación. sistemas e infraestructura civil en general.
« La arcilla de Chicago puede contraerse cuando se calienta, como muchos otros suelos de grano fino. Como resultado del aumento de la temperatura bajo tierra, muchos cimientos del centro de la ciudad están experimentando asentamientos no deseados, de forma lenta pero continua. En otras palabras, no es necesario vivir en Venecia para vivir en una ciudad que se está hundiendo, incluso si las causas de tales fenómenos son completamente diferentes ».
Rotta Loria es profesor asistente de ingeniería civil y ambiental en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern.
¿Qué es el cambio climático subterráneo?
En muchas áreas urbanas del mundo, el calor se difunde continuamente desde los edificios y el transporte subterráneo, lo que hace que el suelo se caliente a un ritmo alarmante. Investigadores anteriores han encontrado que el subsuelo poco profundo debajo de las ciudades se calienta entre 0,1 y 2,5 grados centígrados por década.
Conocido como « cambio climático subterráneo » o « islas de calor subterráneas », se sabe que este fenómeno causa problemas ecológicos (como agua subterránea contaminada) y problemas de salud (incluidos el asma y el golpe de calor). Pero, hasta ahora, el efecto del cambio climático subterráneo en la infraestructura civil ha permanecido sin estudiar y comprenderse poco.
« Si piensas en sótanos, estacionamientos, túneles y trenes, todas estas instalaciones emiten calor continuamente », dijo Rotta Loria. « En general, las ciudades son más cálidas que las áreas rurales porque los materiales de construcción atrapan periódicamente el calor derivado de la actividad humana y la radiación solar y luego lo liberan a la atmósfera. Ese proceso se ha estudiado durante décadas. Ahora, estamos analizando su contraparte del subsuelo, que es impulsado principalmente por la actividad antropogénica ».
Chicago como un laboratorio viviente
En los últimos años, Rotta Loria y su equipo instalaron una red inalámbrica de más de 150 sensores de temperatura en el Chicago Loop, tanto por encima como por debajo del suelo. Esto incluyó la colocación de sensores en los sótanos de edificios, túneles subterráneos, estacionamientos subterráneos y calles subterráneas como Lower Wacker Drive. A modo de comparación, el equipo también enterró sensores en Grant Park, un espacio verde ubicado a lo largo del lago Michigan, lejos de edificios y sistemas de transporte subterráneo.
Los datos de la red de detección inalámbrica indicaron que las temperaturas subterráneas debajo del Loop son a menudo 10 grados más cálidas que las temperaturas debajo de Grant Park. Las temperaturas del aire en las estructuras subterráneas pueden ser hasta 25 grados más altas en comparación con la temperatura del suelo no perturbado. Cuando el calor se difunde hacia el suelo, ejerce una presión significativa sobre los materiales que se expanden y contraen con los cambios de temperatura.
« Utilizamos Chicago como un laboratorio viviente, pero el cambio climático subterráneo es común en casi todas las áreas urbanas densas del mundo », dijo Rotta Loria. « Y todas las áreas urbanas que sufren el cambio climático subterráneo son propensas a tener problemas con la infraestructura ».
hundiéndose lentamente
Después de recopilar datos de temperatura durante tres años, Rotta Loria construyó un modelo de computadora en 3D para simular cómo evolucionaron las temperaturas del suelo desde 1951 (el año en que Chicago completó sus túneles subterráneos) hasta la actualidad. Encontró valores consistentes con los medidos en el campo y usó la simulación para predecir cómo evolucionarán las temperaturas hasta el año 2051.
Rotta Loria también modeló cómo se deforma el suelo en respuesta al aumento de las temperaturas. Mientras que algunos materiales (arcilla blanda y dura) se contraen cuando se calientan, otros materiales (arcilla dura, arena y piedra caliza) se expanden.
Según las simulaciones, las temperaturas más cálidas pueden hacer que el suelo se hinche y se expanda hacia arriba hasta 12 milímetros. También pueden hacer que el suelo se contraiga y se hunda hacia abajo, bajo el peso de un edificio, hasta 8 milímetros. Aunque esto parece sutil e imperceptible para los humanos, la variación es más de lo que muchos componentes de construcción y sistemas de cimentación pueden manejar sin comprometer sus requisitos operativos.
« Con base en nuestras simulaciones por computadora, hemos demostrado que las deformaciones del suelo pueden ser tan severas que generan problemas para el desempeño de la infraestructura civil », dijo Rotta Loria. « No es como si un edificio se derrumbara repentinamente. Las cosas se están hundiendo muy lentamente. Las consecuencias para la capacidad de servicio de las estructuras e infraestructuras pueden ser muy malas, pero se necesita mucho tiempo para verlas. Es muy probable que el cambio climático subterráneo ya haya causado grietas ». y excesivos asentamientos de fundaciones que no asociamos con este fenómeno porque no éramos conscientes de ello”.
Cosechando calor
Debido a que los urbanistas y arquitectos diseñaron la mayoría de los edificios modernos antes de que surgiera el cambio climático subterráneo, no diseñaron estructuras para tolerar las variaciones de temperatura que experimentamos hoy. Aún así, a los edificios modernos les irá mejor que a las estructuras de períodos anteriores, como la Edad Media.
« En los Estados Unidos, los edificios son todos relativamente nuevos », dijo Rotta Loria. « Las ciudades europeas con edificios muy antiguos serán más susceptibles al cambio climático subterráneo. Los edificios hechos de piedra y ladrillo que recurren a prácticas de diseño y construcción anteriores generalmente se encuentran en un equilibrio muy delicado con las perturbaciones asociadas con las operaciones actuales de las ciudades. Las perturbaciones vinculadas a las islas de calor del subsuelo pueden tener impactos perjudiciales para tales construcciones ».
En el futuro, Rotta Loria dijo que las estrategias de planificación futuras deberían integrar tecnologías geotérmicas para recolectar el calor residual y entregarlo a los edificios para la calefacción de espacios. Los planificadores también pueden instalar aislamiento térmico en edificios nuevos y existentes para minimizar la cantidad de calor que ingresa al suelo.
« El enfoque más efectivo y racional es aislar las estructuras subterráneas de manera que la cantidad de calor desperdiciado sea mínima », dijo Rotta Loria. « Si esto no se puede hacer, entonces las tecnologías geotérmicas ofrecen la oportunidad de absorber y reutilizar eficientemente el calor en los edificios. Lo que no queremos es usar tecnologías para enfriar activamente las estructuras subterráneas porque eso usa energía. Actualmente, hay una gran cantidad de soluciones que se puede implementar ».
El estudio, « El impacto silencioso del cambio climático subterráneo en la infraestructura civil », fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (número de subvención 2046586). La red de detección inalámbrica en la que se basa este trabajo, que también sirve como laboratorio viviente para un curso impartido por Rotta Loria, recibió el apoyo parcial de la Sociedad Murphy y las exalumnas de la Universidad Northwestern.
Vídeo : https://youtu.be/_8IaNoTDxgM